Como polarizar o transistor BJT? (Parte 2)

Esta é a segunda parte sobre polarização do BJT. São mostrados projetos de circuitos com polarizações fixa e estável do emissor.

Se você não é da área, sugiro ler primeiro o funcionamento do transistor BJT e a parte 1 da polarização deste componente.

Link para funcionamento do BJTClique aqui

Link para parte 1 da polarização do BJTClique aqui

Polarização fixa do BJT

Este é um exemplo de circuito de polarização fixa com transistor NPN. O terminal do emissor está ligado ao terra.

Considerando estas informações:

Corrente de base ( $I_{b}$ ): 20 μA.
Corrente do emissor ( $I_{e}$ ): 4 mA.
Tensão entre o coletor e o emissor ( $V_{CE}$ ): 7,2 V.

Temos que achar estas informações:

Corrente do coletor ( $I_{c}$ ).
Beta (β).
Tensão de alimentação ( $V_{CC}$ ).
Resistor de base ( $R_{b}$ ).

Calculando $I_{c}$ .

$I_{e}=I_{c}+I_{b}$

$I_{c}=4000\mu -20\mu = 3980\mu =3,98mA$

Descobrindo a tensão de alimentação $V_{CC}$ .

$I_{c}=\frac{V_{CC}-V_{CE}}{R_{c}}$

$3,98m=\frac{V_{CC}-7,2}{2,2k}$

$V_{CC}=15,956 V$

Encontrando os valores de β e $R_{b}$ .

$I_{c}=\beta \cdot I_{b}$

$\beta= \frac{3,98m}{20\mu }=199$

$R_{b}= \frac{V_{CC}-V_{BE}}{I_{b}}$

Considerando $V_{BE}$ como 0,7 V.

$R_{b}= \frac{15,956-0,7}{20\mu }=762 k\Omega$

Projetando fontes de corrente com polarização fixa

Este é um projeto de uma fonte de corrente com um transistor NPN BD139, cujo datasheet está neste link. A tensão de alimentação é de 6 Volts, enquanto a corrente de coletor deve ser de 100 mA. O transistor deve ficar no estado de saturação.

Olhando o datasheet, pode-se ver que no estado de saturação, a tensão $V_{CE}$ é 0,5 V.

Calculando $R_{c}$ .

$R_{c}=\frac{V_{CC}-V_{CE}}{I_{c}}=\frac{6-0,5}{0,1}=55\Omega$

O resistor do coletor vai dissipar potência considerável, portanto, deve ter um tamanho maior do que resistores de 1/4 W para evitar queima. O valor comercial escolhido foi de 47 Ω, porque era o mais próximo que tinha disponível com tamanho suficiente para suportar a corrente elétrica.

Para calcular a corrente de base $I_{b}$ , o ganho de corrente $h_{FE}$ ou β foi considerado como 25.

$I_{b}=\frac{I_{c}}{h_{FE}}=\frac{0,1}{25}=4mA$

Determinando o valor de $R_{b}$ .

$R_{b}=\frac{V_{CC}-V_{BE}}{I_{b}}=\frac{6-1}{4m}=1,25k\Omega$

O valor comercial de $R_{b}$ é 1,2 kΩ.

Corrente do coletor — Este é o valor da corrente de coletor em mA.

E se usar um transistor PNP como o BD136? Basta inverter os polos da fonte DC, o emissor deve ficar ligado ao polo positivo.

Este é outro projeto de polarização fixa, a corrente de coletor foi escolhida arbitrariamente como 150 mA. Enquanto o ganho, $h_{FE}$ ou $\beta$ , é 40.

Calculando Rc.

$Rc=\frac{V_{CC}-V_{CE}sat}{I_{C}}=\frac{6-0,5}{150m}=36\Omega$

Encontrando o valor de Rb. Os valores no datasheet estão negativos, mas como os polos foram trocados, pode considerar estes valores como positivos.

$I_{b}=\frac{0,15}{40}=3,75mA$

$R_{b}=\frac{5}{3,75m}=1,33k\Omega$

Os valores comerciais escolhidos para $R_{c}$ e $R_{b}$ são 30 Ω e 1,2 kΩ respectivamente. O valor de $I_{c}$ pode variar entre 149 e 155 mA.

Polarização estável do emissor

Um resistor entre o terminal do emissor e o terra melhora a estabilidade do circuito. Demonstrando matematicamente usando dois circuitos a seguir como exemplos.

Calculando a corrente de coletor $I_{c}$ e a tensão coletor-emissor $V_{CE}$ do circuito T1, temos os valores calculados abaixo. Você pode confirmar considerando a tensão base-emissor $V_{BE}$ como 0,7 V.

$I_{c1}=2,925mA$

$V_{CE1}=8,089V$

Se o β do T1 for 135, os valores ficam:

$I_{c2}=4,38mA$

$V_{CE2}=4,174V$

Calculando a porcentagem de variação destes parâmetros usando as seguintes equações.

$%\Delta I_{c}=\left |\frac{I_{c}2-I_{c}1}{I_{c}1}\right |\cdot 100%$

$%\Delta V_{CE}=\left |\frac{V_{CE}2-V_{CE}1}{V_{CE}1}\right |\cdot 100%$

Os resultados são respectivamente 49,4% e 48,3%. Agora, calculando os mesmos parâmetros no circuito T2. Esta equação pode ser usada para encontrar a corrente de base em circuitos de polarização estável do emissor. R3 é o resistor do emissor. Enquanto $V_{BE}$ é 0,7 V.

$I_{b}=\frac{V_{CC}-V_{BE}}{R_{b2}+(\beta +1)\cdot R3}$

Os resultados são:

$I_{c}=2,9 mA$

$V_{CE}=8,6465V$

E se aumentar o β do T2 para 150?

$I_{c}=3,9mA$

$V_{CE}=4,75V$

Usando as equações de porcentagem mostradas anteriormente.

$%\Delta I_{c}=\left | \frac{3,9m-2,9m}{2,9m}\right |\cdot 100=34,4%$

$%\Delta V_{CE}=\left | \frac{4,75-8,647}{8,647}\right |\cdot 100=45%$

O circuito T2 é mais estável, porque a corrente de coletor e a tensão coletor-emissor variam menos quando β aumenta em 50%.

Mais um projeto

Este é um projeto de circuito com um resistor estabilizador. O transistor usado é o BC547B, alimentação $V_{CC}$ é 6 V e a corrente de coletor deve ser 20 mA. Observando este gráfico do datasheet, vê-se que a corrente de base pode ser 0,15 mA quando $V_{CE}$ for 0,2 V.

Usando a equação para encontrar os valores de $R_{b}$ e $R_{e}$ . β é:

$\beta =\frac{20m}{0,15m}=133,3$

Definindo $R_{b}$ e $R_{e}$ .

$I_{b}=\frac{V_{CC}-V_{BE}}{R_{b}+(\beta +1)\cdot R_{e}}$

$0,15m=\frac{6-0,7}{R_{b}+(133,3 +1)\cdot R_{e}}$

$0,15m\cdot R_{b}+20,145m\cdot R_{e}=5,3$

O valor escolhido arbitrariamente para $R_{b}$ foi 2,7 kΩ.

$0,405+20,145m\cdot R_{e}=5,3$

$R_{e}=242\Omega$

O valor comercial de $R_{e}$ é 220 Ω. Como a corrente do emissor é a soma de $I_{b}$ e $I_{c}$ , seu valor é 20,15 mA. Calculando a tensão no emissor.

$V_{e}=220\cdot 20,15m=4,433V$

Descobrindo a queda de tensão no $R_{c}$ .

$V_{c}=6-(V_{CE}-V_{e})=6-(0,2+4,433)=1,367V$

$R_{c}=\frac{1,367}{20m}=0,06835k=68,35\Omega$

Felizmente, tenho um resistor de 68 Ω. Finalmente, montando o circuito no protoboard ou matriz de contatos e fazendo as medições.

O valor da corrente $I_{c}$ mostrado acima não deu exatamente 20 mA. Porque os resistores têm tolerância, causando uma pequena variação na resistência.

Outras partes sobre projeto com transistores BJT virão.