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Universidade Tecnológica Federal do Paraná Polarização DC de Transistores Bipolares Departamento Acadêmico de Eletrônica (29 Maio 2014) 1 POLARIZAÇÃO DC DE TRANSISTORES BIPOLARES Definição: Dimensionar os resistores de polarização de modo que o transistor opere na região linear. 1 O Passo Para o inicio do projeto é necessário em primeiro lugar, conhecer o circuito básico: Figura 1 Circuito de Polarização Básico 2 O Passo Escolher os parâmetros a seguir de acordo com a aplicação: Tensão de Alimentação Valor Adotado V CC = 12 V É um fator determinante no projeto do circuito se for utilizado alimentação DC à partir de bateria, deve-se levar em conta o tempo em que o circuito deve operar sem interrupção no fornecimento de energia. Para o nosso projeto hipotético experimental não necessitamos utilizar baterias. Portanto foi atribuído o valor tradicional indicado acima. Corrente de Coletor Valor Adotado I C = 3 mA Durante os estudos preliminares devemos raciocinar que o aumento da corrente de coletor ( Ic ) implica em um aumento no consumo de energia diminuindo a autonomia do circuito. O critério de escolha da Ic baseia-se normalmente no valor da carga e no consumo de energia da bateria. Transistor Transistor Escolhido BC548B PHILIPS O transistor é escolhido de acordo com o valor nominal de Ic. Devemos recordar que a melhor condição na utilização de um determinado transistor ocorre quando a corrente de coletor ( Ic ) se aproxima do valor da corrente quiescente, esta região se localiza no centro das curvas de operação. Nosso circuito vai ser a base para um oscilador, portanto deverá operar na região linear. Polarizando o transistor no ponto de operação quiescente vai proporcionar máximo excursionamento de sinal sem cortes ou distorções. Existem outros fatores que podem ser considerados no momento da escolha como: tamanho, tensão, corrente, potência, custo, disponibilidade, impedância de entrada, impedância de saída e outros parâmetros elétricos limitantes. Fator de Estabilidade térmica S = 5 O fator de estabilidade esta diretamente ligado ao consumo e a estabilidade térmica do circuito. A faixa de valores ótimos está compreendida entre 1 S 10, o valor ideal teórico seria 1, mais isto implicaria em valores muito baixos para os resistores R1 e R2, tendo como conseqüência um consumo maior de energia da fonte DC. Por outro lado se aumentarmos o S para 10 os resistores R1 e R2 também aumentarão proporcionalmente de valor, implicando em um menor consumo de energia, mas nesta condição, as variações de temperatura causarão maiores interferências no funcionamento quiescente do circuito, fazendo a Ic flutuar na mesma medida que varia a temperatura. O valor ótimo encontrado para nosso projeto esta indicado acima.

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Universidade Tecnológica Federal do Paraná Polarização DC de Transistores Bipolares

Departamento Acadêmico de Eletrônica (29 Maio 2014) 1

POLARIZAÇÃO DC DE TRANSISTORES BIPOLARES Definição: Dimensionar os resistores de polarização de modo que o transistor opere na região linear. 1O Passo Para o inicio do projeto é necessário em primeiro lugar, conhecer o circuito básico:

Figura 1 Circuito de Polarização Básico 2O Passo Escolher os parâmetros a seguir de acordo com a aplicação:

Tensão de Alimentação Valor Adotado VCC = 12 V

É um fator determinante no projeto do circuito se for utilizado alimentação DC à partir de bateria, deve-se levar em conta o tempo em que o circuito deve operar sem interrupção no fornecimento de energia. Para o nosso projeto hipotético experimental não necessitamos utilizar baterias. Portanto foi atribuído o valor tradicional indicado acima.

Corrente de Coletor Valor Adotado IC = 3 mA

Durante os estudos preliminares devemos raciocinar que o aumento da corrente de coletor ( Ic ) implica em um aumento no consumo de energia diminuindo a autonomia do circuito. O critério de escolha da Ic baseia-se normalmente no valor da carga e no consumo de energia da bateria.

Transistor Transistor Escolhido BC548B PHILIPS

O transistor é escolhido de acordo com o valor nominal de Ic. Devemos recordar que a melhor condição na utilização de um determinado transistor ocorre quando a corrente de coletor ( Ic ) se aproxima do valor da corrente quiescente, esta região se localiza no centro das curvas de operação. Nosso circuito vai ser a base para um oscilador, portanto deverá operar na região linear. Polarizando o transistor no ponto de operação quiescente vai proporcionar máximo excursionamento de sinal sem cortes ou distorções. Existem outros fatores que podem ser considerados no momento da escolha como: tamanho, tensão, corrente, potência, custo, disponibilidade, impedância de entrada, impedância de saída e outros parâmetros elétricos limitantes.

Fator de Estabilidade térmica S = 5 O fator de estabilidade esta diretamente ligado ao consumo e a estabilidade térmica do circuito. A faixa de valores ótimos está compreendida entre 1 S 10, o valor ideal teórico seria 1, mais isto implicaria em valores muito baixos para os resistores R1 e R2, tendo como conseqüência um consumo maior de energia da fonte DC. Por outro lado se aumentarmos o S para 10 os resistores R1 e R2 também aumentarão proporcionalmente de valor, implicando em um menor consumo de energia, mas nesta condição, as variações de temperatura causarão maiores interferências no funcionamento quiescente do circuito, fazendo a Ic flutuar na mesma medida que varia a temperatura. O valor ótimo encontrado para nosso projeto esta indicado acima.

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3O Passo Cálculo de Rc: ( Rc + Re ) Vcc Vce Ic ( Rc + Re ) 12 5 3103 ( Rc + Re ) 2,3 103 Como o valor nominal de Re normalmente é muito baixo comparado a Rc, escolhe-se o valor do resistor Rc comercial mais próximo, abaixo do encontrado no resultado acima. Recorrendo a tabela 1 encontramos: Rc 2,2 k ( valor comercial )

Tabela 1 Tabela de resistores comerciais 1,0 10 100 1,0 k 10 k 100 k 1,0 M 10 M 1,2 12 120 1,2 k 12 k 120 k 1,2 M 1,5 15 150 1,5 k 15 k 150 k 1,5 M 1,8 18 180 1,8 k 18 k 180 k 1,8 M 2,2 22 220 2,2 k 22 k 220 k 2,2 M 2,7 27 270 2,7 k 27 k 270 k 2,7 M 3,3 33 330 3,3 k 33 k 330 k 3,3 M 3,9 39 390 3,9 k 39 k 390 k 3,9 M 4,7 47 470 4,7 k 47 k 470 k 4,7 M 5,6 56 560 5,6 k 56 k 560 k 5,6 M 6,8 68 680 6,8 k 68 k 680 k 6,8 M 8,2 82 820 8,2 k 82 k 820 k 8,2 M

4O Passo – Cálculo de Re:

Gráfico 1 Curva ( hfe Ic ) para o transistor BC548B PHILIPS

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No gráfico 1 ( hFE Ic ) obtemos: hFE = CC = 300 VCC VRC + VCE + VRE Ie Ic (hFE + 1 ) hFE VCC RcIc + VCE + ReIe Re Vcc Vce RcIc Ic[ (hFE +1 ) / hFE ] Re 12 5 2200 3103 3103 [ (300 +1) / 300 ] Re 132,890 Recorrendo a tabela 1 escolhemos o valor comercial mais próximo do valor encontrado. Escolhe-se um valor de Re um pouco abaixo do calculado de modo que Ic será maior. Re 120 ( valor comercial ) 5O Passo – Cálculo de R1 e R2:

Gráfico 2 Curva ( Ic Vbe ) para o transistor BC548B PHILIPS

No gráfico 2 ( IcVbe ) obtemos: Vbe = 0,675 V S (hFE + 1 ) 1 + ( Rb Re ) (hFE + 1 ) + ( Rb Re ) Rb Re (hFE + 1 ) ( S 1 ) (hFE + 1 ) S Rb 120 ( 300 + 1 ) ( 5 1 ) ( 300 + 1 ) 5 Rb 488,108 = RTh Recalculo de Ic em função dos valores comerciais adotados para Rc e Re

mA

h

hRR

VVIc

FE

FEEC

CECC 017,3

300

13001202200

512

1

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Vh

hIRV

h

IRIRVIRV

FE

FECEBE

FE

CThEEBEbThTh 043,1

)1(

CCTh VRR

RV

21

2 21

21

RR

RRRTh

21

2

RR

R

V

V

CC

Th

logo 56151

Th

CCTh V

VRR

Recorrendo a tabela 1 escolhe-se o resistor comercial mais próximo: R1 5,6 k ( valor comercial )

58,5341

12 RR

RRR

Th

Th

Recorrendo a tabela 1 escolhe-se o resistor comercial mais próximo: R2 560 ( valor comercial ) 6O Passo – Recalculo de Ic e Vce em função de Rc, Re, R1, R2, comerciais: VBB R2 Vcc 560 12 VBB 1,043 V R1 R2 5600 560 Ic hFE ( VBB Vbe ) 300 ( 1,043 0.675 ) ) Rb Re( hFE + 1 ) 560//5600 120( 300 + 1 ) Ic 3,017 mA Vce Vcc RcIc ReIc[ (hFE +1 ) / hFE ] Vce 12 22003.017103 1203.017103[ ( 300 +1 ) / 300 ] Vce 4,988 V 7O Passo – Recalculo de S ( estabilidade térmica Ic Ico ): S (hFE + 1 ) 1 + ( Rth Re ) ( hFE + 1 ) + ( Rth Re ) S ( 300 + 1 ) 1 + [ ( 560 // 5,6103 ) 120 ) ] ( 300 + 1 ) + [ ( 560 // 5,6103 ) 120 ) ] S 5,170 8O Passo – Cálculo de S’ ( estabilidade de ganho Ic CC ): S’ hFE Rth + Re (hFE + 1 ) S’ 300 560//5k6 + 120( 300 + 1 ) S’ 8,190103 ( Siemens )

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9O Passo – Cálculo de S’’ ( estabilidade de junção Ic Vbe ): S’’ Ic S 3,170103 5,170 hFE ( hFE + 1 ) 300 ( 300 + 1 ) S’’ 3,017103 5,170 300 ( 300 + 1 ) S’’ 172,734109 ( V ) 10O Passo – Cálculo da Potência dissipada pelo transistor e a absorvida pelo circuito: Pt Vce Ic Pt 4,998 3,016 103 Pt 15,082 mW Pa ( Ic + IR1 ) * Vcc Pa ( Ic + IR1 ) * Vcc Pa 59,580 mW 11O Passo – Determinação dos parâmetros híbridos: Método gráfico: Recorrendo ao gráfico 3 encontramos o parâmetro hie:

Gráfico 3 Curva ( hie Ic ) para o transistor BC548B PHILIPS para o BC548B, uma Ic de 3 mA e Vce 5 V encontramos: hie 3,1 k

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Recorrendo ao gráfico 4 encontramos o parâmetro hfe:

Gráfico 4 Curva ( hfe Ic ) para o transistor BC548B PHILIPS

para o BC548B, uma Ic de 3 mA e Vce 5 V encontramos: hfe 350 Recorrendo ao gráfico 5 encontramos o parâmetro hoe:

Gráfico 5 Curva ( hoe Ic ) para o transistor BC548B PHILIPS para o BC548B e uma Ic de 3 mA encontramos: hoe 40 A / V

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Recorrendo ao gráfico 6 encontramos o parâmetro hre:

Gráfico 6 Curva ( hre Ic ) para o transistor BC548B PHILIPS para o BC548B, uma Ic de 3 mA e Vce 5 V encontramos hre 1,7 104 Tabelas complementares para outras aplicações:

Tabela 2 fórmulas simplificadas para as diferentes configurações Parâmetro EC CC BC

Ai - hfe

hfe+1

hfe _ hfe+1

AV - hfeRL

Rin

1 - hie Rin

hfe RL hie

Rin hie + Re (hfe+1) hie + RL (hfe+1) hie _ hfe+1

Rout Rc

Re + hie hfe+1

RC

Tabela 7 comparação de valores das diferentes configurações (para RL = 3k)

Parâmetro EC CC BC

Ai alta ( 45 ) alta ( 47 ) baixa ( 0,98 )

AV alta ( 130 ) baixa ( 0,99 ) alta ( 130 )

Rin

média ( 1 k ) alta ( 145 k ) baixa ( 23 )

Rout

média ( 45 k ) baixa ( 80 k ) alta ( 1,7 M )

Referência: Apostila extraída do trabalho de mestrado de Marcos Mendes Albano, bolsista CAPES/CPGEI