Cap 4 - Polariza TJB

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<p>51</p><p>Cap. 4 – Polarização CC de TBJ</p><p>51</p><p>CAPÍTULO 4</p><p>POLARIZAÇÃO CC DE TBJ</p><p>4.1– Introdução</p><p>Para a análise ou o projeto de um amplificador com transistor de junção bipolar – TBJ é</p><p>necessário o conhecimento das respostas CC e CA do sistema.</p><p>O valor amplificado de potência de saída CA é resultado da transferência de energia das</p><p>fontes aplicadas. A análise ou projeto de qualquer amplificador eletrônico, portanto, abrange</p><p>duas componentes: as operações CA e CC.</p><p>“Polarização” quer dizer “alimentação”. Um transistor não poderá amplificar um sinal se</p><p>não for devidamente polarizado. Polarização quer dizer alimentar o transistor com uma fonte de</p><p>corrente contínua.</p><p>Embora vários circuitos sejam analisados neste capítulo, há uma certa semelhança entre</p><p>a análise de cada configuração (BC, EC e CC) devido ao uso das seguintes relações básicas:</p><p>𝑉𝐵𝐸 = 0,7 𝑉 (1)</p><p>𝐼𝐸 = (𝛽 + 1) 𝐼𝐵 ≅ 𝐼𝐶 (2)</p><p>𝐼𝐶 = 𝛽 𝐼𝐵 (3)</p><p>Na maioria dos casos, a corrente de base IB é a primeira quantidade a ser determinada.</p><p>Uma vez determinada esta quantidade as outras quantidades restantes podem ser calculadas pelas</p><p>relações das Equações (1) a (3).</p><p>4.2 - Ponto de Operação</p><p>O termo “polarização” que aparece no título deste capítulo, significa a aplicação de</p><p>tensões CC em um circuito para estabelecer valores fixos de corrente e tensão. Para</p><p>amplificadores com transistor, a corrente e tensão CC resultantes estabelecem um “ponto de</p><p>operação” nas curvas características que definem a região que será empregada para a</p><p>amplificação do sinal aplicado.</p><p>Como o ponto de operação é fixo na curva, ele também é chamado de “ponto quiescente”</p><p>(Q). A Figura 1 mostra as características de saída para um dispositivo com 6 pontos de operação</p><p>indicados.</p><p>Ponto A: Corrente e tensão nula no dispositivo, então significa que o transistor está</p><p>desligado.</p><p>Ponto B: Se um sinal for aplicado ao circuito, a tensão e a corrente do dispositivo variarão</p><p>em torno do ponto de operação (360º), permitindo que o dispositivo responda</p><p>tanto à excursão positiva quanto a negativa do sinal de entrada. Este tipo de</p><p>52</p><p>Cap. 4 – Polarização CC de TBJ</p><p>52</p><p>polarização está no centro da reta de carga. Uma aplicação desta polarização é</p><p>para os amplificadores Classe A (condução 360º).</p><p>Figura 1 – Vários pontos de operação dentro dos limites de operação de um transistor.</p><p>Ponto C: Permite alguma variação positiva e negativa do sinal de saída, porém o valor de</p><p>pico a pico seria limitado pela proximidade com VCE = 0 V e IC = 0 mA.</p><p>Ponto D: Ajusta o ponto de operação do dispositivo próximo da tensão máxima e do nível</p><p>de potência máxima. A excursão da tensão de saída no sentido positivo é,</p><p>portanto, limitada se a tensão máxima não for excedida.</p><p>Ponto E: Ponto de operação como chave “ligada”, ou seja, pertencente à região de</p><p>saturação. Neste ponto temos uma tensão VCE ≤ 0,2 V e uma corrente IC de valor</p><p>elevado, limitado pela resistência externa de coletor RC.</p><p>Ponto F: Ponto de polarização como chave “desligada”, ou seja, neste caso pertencente à</p><p>região de corte (IB = 0). Neste ponto temos uma tensão VCE = VCC, tensão de</p><p>chave aberta.</p><p>4.3 – Circuito com Polarização Fixa</p><p>O circuito com polarização fixa da Figura 2 serve de introdução relativamente simples e</p><p>direta na análise de uma polarização CC do transistor.</p><p>53</p><p>Cap. 4 – Polarização CC de TBJ</p><p>53</p><p>Figura 2 – Circuito de polarização fixa</p><p>Apesar de o circuito empregar um transistor NPN, as equações e os cálculos se aplicam</p><p>igualmente bem a uma configuração com transistor PNP, simplesmente se invertendo os sentidos</p><p>das correntes e tensões.</p><p>4.3.1 – Polarização Direta da Junção Base-Emissor</p><p>Considere primeiramente a malha base-emissor mostrada na Figura 3. Seguindo a 2ª Lei</p><p>de Kirchoff para tensões no sentido horário da malha, obtemos:</p><p>+𝑉𝑐𝑐 − 𝐼𝐵 𝑅𝐵 − 𝑉𝐵𝐸 = 0 (4)</p><p>Neste caso a corrente IB é dada por:</p><p>𝐼𝐵 =</p><p>𝑉𝐶𝐶− 𝑉𝐵𝐸</p><p>𝑅𝐵</p><p>(5)</p><p>Figura 3 – Malha base-emissor</p><p>54</p><p>Cap. 4 – Polarização CC de TBJ</p><p>54</p><p>4.3.2 – Malha Coletor-Emissor</p><p>A seção coletor-emissor do circuito aparece na Figura 4, com o sentido de corrente IC e</p><p>a polaridade resultante através de RC indicados. O valor da corrente de coletor está diretamente</p><p>relacionado com IB através de:</p><p>𝐼𝐶 = 𝛽 𝐼𝐵 (6)</p><p>Figura 4 – Malha coletor-emissor</p><p>Aplicando a 2ª Lei de Kirchoff para as tensões no sentido horário ao longo da malha dada</p><p>pela Figura 4, obtemos:</p><p>𝑉𝐶𝐸 + 𝑅𝐶 𝐼𝐶 − 𝑉𝐶𝐶 (7)</p><p>Logo</p><p>𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝑅𝐶 𝐼𝐶 (8)</p><p>Tenha em mente que os valores de tensão como VCE são determinados colocando-se a</p><p>ponta de prova vermelha (positiva) do voltímetro no coletor e, a ponta de prova preta (negativa)</p><p>no emissor, como mostrado na Figura 5.</p><p>Figura 5 – Medição de VCE</p><p>Para a medição da corrente de base IB pode ser feita de maneira indireta, como mostra a</p><p>Figura 6. Mede-se a diferença de potencial entre os terminais do resistor da base RB depois divide-</p><p>se pelo valor da resistência de base RB, ou seja,</p><p>55</p><p>Cap. 4 – Polarização CC de TBJ</p><p>55</p><p>𝐼𝐵 =</p><p>𝑉𝑅𝐵</p><p>𝑅𝐵</p><p>(9)</p><p>De maneira análoga para determinação da corrente IC toma-se a ddp nos terminais do</p><p>resistor RC e divide pelo valor da resistência</p><p>Figura 6 – Medição das correntes IB e IC</p><p>Exemplo 1</p><p>Determine, para a configuração fixa da Figura 7, o seguinte:</p><p>a) IBQ e ICQ</p><p>b) VCEQ</p><p>c) VB e VC</p><p>d) VBC</p><p>Figura 7 – Exemplo de circuito de polarização CC fixa.</p><p>56</p><p>Cap. 4 – Polarização CC de TBJ</p><p>56</p><p>4.3.3 – Saturação do Transistor</p><p>O termo saturação é aplicado a qualquer sistema em que os níveis alcançaram seus valores</p><p>máximos.</p><p>Um ponto de operação na região de saturação é representado na Figura 8. Observe que</p><p>ele se encontra em uma região em que as curvas características se agrupam, e a tensão coletor-</p><p>emissor tem um valor menor ou igual a VCEsat. Além disso, a corrente de coletor é relativamente</p><p>alta nas curvas características.</p><p>Figura 8 – Ponto de operação na região de saturação</p><p>A corrente de saturação resultante para a configuração com polarização fixa é dada por:</p><p>𝐼𝐶𝑠𝑎𝑡 =</p><p>𝑉𝐶𝐶</p><p>𝑅𝐶</p><p>(10)</p><p>4.3.4 – Análise por Reta de Carga</p><p>Agora investigaremos como os parâmetros do circuito definem a faixa possível de pontos</p><p>quiescente (Q) e, como o ponto Q é determinado. O circuito da Figura 9 estabelece uma equação</p><p>de saída que relaciona as variáveis IC de VCE do seguinte modo:</p><p>𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶 𝑅𝐶 (11)</p><p>Figura 9 – Circuito para análise da reta de carga</p><p>57</p><p>Cap. 4 – Polarização CC de TBJ</p><p>57</p><p>Agora devemos sobrepor a Equação 11 sobre as curvas características, como ilustra a</p><p>Figura 10. Dois pontos são necessários para definir uma reta, neste caso da Equação 11, faz-se</p><p>primeiramente IC igual a zero e define VCE. Em seguida, faz-se VCE = 0 e determina ICsat.</p><p>𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 |𝐼𝐶=0 𝑚𝐴 (12)</p><p>𝐼𝐶 𝑠𝑎𝑡 =</p><p>𝑉𝐶𝐶</p><p>𝑅𝐶</p><p>|𝑉𝐶𝐸 𝑠𝑎𝑡=0 (13)</p><p>Figura 10 – Reta de carga para a polarização fixa</p><p>Exemplo 2</p><p>Dados a reta de carga da Figura 11 e o ponto Q definido, determine os valores necessários</p><p>de VCC, RC e RB para um circuito de polarização fixa.</p><p>Figura 11 – Exemplo de reta de carga com polarização fixa.</p><p>58</p><p>Cap. 4 – Polarização CC de TBJ</p><p>58</p><p>4.4 – Circuito de Polarização Estável do Emissor</p><p>O circuito de polarização CC da Figura 12 contém um resistor de emissor para melhorar</p><p>o nível de estabilidade da configuração fixa. A análise será feita examinando-se primeiro a malha</p><p>base-emissor (comando) e desses resultados será utilizado para investigar a malha coletor-</p><p>emissor (potência).</p><p>Figura 12 – Circuito de polarização do TBJ com</p><p>resistor de emissor.</p><p>4.4.1 – Malha Base-Emissor</p><p>A malha base-emissor do circuito da Figura 12 pode ser redesenhada como mostrado na</p><p>Figura 13.</p><p>Figura 13 – Malha base-emissor.</p><p>A aplicação da lei das tensões de Kirchoff ao longo da malha indicada, no sentido horário,</p><p>resulta na equação:</p><p>+𝑉𝑐𝑐 − 𝐼𝐵 𝑅𝐵 − 𝑉𝐵𝐸 − 𝐼𝐸 𝑅𝐸 = 0 (14)</p><p>59</p><p>Cap. 4 – Polarização CC de TBJ</p><p>59</p><p>Mas</p><p>𝐼𝐸 = (𝛽 + 1)𝐼𝐵 (15)</p><p>A substituição de IE na Equação (14) resulta em:</p><p>+𝑉𝑐𝑐 − 𝐼𝐵 𝑅𝐵 − 𝑉𝐵𝐸 − (𝛽 + 1)𝐼𝐵 𝑅𝐸 = 0 (16)</p><p>Daí tira-se o valor de IB</p><p>𝐼𝐵 =</p><p>𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵𝐸</p><p>𝑅𝐵 + (𝛽 + 1)𝑅𝐸</p><p>(17)</p><p>4.4.2 – Malha Coletor-Emissor</p><p>A malha coletor-emissor está redesenhada na Figura 14. Utilizando a 2ª Lei de Kirchoff</p><p>na malha indicada, no sentido horário, resulta em:</p><p>𝐼𝐸𝑅𝐸 + 𝑉𝐶𝐸 + 𝐼𝐶𝑅𝐶 − 𝑉𝐶𝐶 = 0 (18)</p><p>Figura 14 – Malha coletor-emissor</p><p>Como 𝐼𝐸 ≅ 𝐼𝐶 , obtém-se</p><p>𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶(𝑅𝐶 + 𝑅𝐸) (19)</p><p>Exemplo 3</p><p>Para o circuito de polarização estável do emissor visto na Figura 15, determine:</p><p>a) IB</p><p>b) IC</p><p>c) VCE</p><p>d) VC</p><p>e) VE</p><p>f) VB</p><p>g) VBC</p><p>60</p><p>Cap. 4 – Polarização CC de TBJ</p><p>60</p><p>Figura 15 – Circuito de polarização estável de emissor</p><p>4.5 – Polarização por Divisor de Tensão</p><p>Nas configurações anteriores, a corrente ICQ e a tensão VCEQ eram em função do ganho</p><p>de corrente (β). No entanto o β também é função da temperatura, daí os valores de polarização</p><p>podem ser alterados.</p><p>Na polarização por divisor de tensão há uma compensação do efeito da temperatura, da</p><p>seguinte maneira: se a temperatura aumenta, a corrente IC também aumenta, então tende a</p><p>aumentar a queda de tensão na resistência RE. No entanto a tensão VB é constante, pois a corrente</p><p>IB é desprezível em relação à I1 e I2. Isto faz com a tensão VBE tende a diminuir. Pelas curvas</p><p>características de entrada IB versus VBE , se VBE diminui então o valor de IB tende a diminuir</p><p>fazendo então a compensação devido ao aumento de temperatura.</p><p>A Figura 16 mostra o circuito de polarização por divisor de tensão.</p><p>Figura 16 – Polarização por divisor de tensão</p><p>61</p><p>Cap. 4 – Polarização CC de TBJ</p><p>61</p><p>4.5.1 – Análise Aproximada</p><p>Para este tipo de polarização faremos apenas pela análise aproximada, pois chega-se a</p><p>valores bem próximos dos pontos de operação projetados. Para esta análise aproximada vamos</p><p>representar o circuito da Figura 17.</p><p>Figura 17 – Circuito parcial de polarização para o cálculo da tensão aproximada de base VB</p><p>A resistência Ri é a resistência equivalente entre a base e o GND, para o transistor com</p><p>um resistor de emissor RE. Se Ri for muito maior do que a resistência R2, a corrente IB será muito</p><p>menor do que I2, e I2 será praticamente igual a I1. Se aceitarmos a possibilidade de que IB é</p><p>praticamente zero em relação a I1 e I2, então os resistores R1 e R2 podem ser considerados em</p><p>série.</p><p>Então a tensão VB é a tensão de base pode ser determinada pela regra do divisor de tensão,</p><p>ou seja:</p><p>𝑉𝐵 =</p><p>𝑅2 𝑉𝐶𝐶</p><p>𝑅1 + 𝑅2</p><p>(20)</p><p>Como 𝑅𝑖 = (𝛽 + 1)𝑅𝐸 ≅ 𝛽𝑅𝐸, a condição que define se o método aproximado pode</p><p>ser aplicado é a seguinte:</p><p>𝛽𝑅𝐸 ≥ 10 𝑅2 (21)</p><p>Em outras palavras, se o valor de β multiplicado por RE for no mínimo 10 vezes maior do</p><p>que o valor de R2, o método aproximado pode ser aplicado com alto grau de precisão nos</p><p>resultados.</p><p>Uma vez que VB está determinado, o valor de VE pode ser calculado a partir de:</p><p>𝑉𝐸 = 𝑉𝐵 − 𝑉𝐵𝐸 (22)</p><p>E a corrente de emissor pode ser determinada de:</p><p>𝐼𝐸 =</p><p>𝑉𝐸</p><p>𝑅𝐸</p><p>(23)</p><p>E</p><p>𝐼𝐶𝑄 ≅ 𝐼𝐸 (24)</p><p>Logo a tensão VCE pode ser dada por:</p><p>62</p><p>Cap. 4 – Polarização CC de TBJ</p><p>62</p><p>𝑉𝐶𝐸𝑄 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶 (𝑅𝐶 + 𝑅𝐸) (25)</p><p>Exemplo 4</p><p>Dado o circuito da Figura 18 e, utilizando a técnica da análise aproximada determine:</p><p>a) ICQ</p><p>b) VCEQ</p><p>Figura 18 – (4.31) Circuito de polarização por divisor de tensão</p><p>4.6 – Polarização CC com Realimentação de Coletor</p><p>Podemos obter uma melhoria na estabilidade do circuito introduzindo uma realimentação</p><p>de coletor e base, como mostra a Figura 19. Como sempre a análise feita analisando inicialmente</p><p>a malha base-emissor e desses resultados aplica-se à malha coletor-emissor.</p><p>Figura 19 – Circuito de polarização CC com realimentação de coletor</p><p>4.6.1 – Malha Base-Emissor</p><p>63</p><p>Cap. 4 – Polarização CC de TBJ</p><p>63</p><p>A Figura 20 mostra a malha base-emissor. Utilizando a 2ª Lei de Kirchoff, no sentido</p><p>horário obtém-se:</p><p>+𝑉𝑐𝑐 − 𝐼𝐶 𝑅𝐶 − 𝐼𝐵𝑅𝐵 − 𝑉𝐵𝐸 − 𝐼𝐸 𝑅𝐸 = 0 (26)</p><p>Figura 20 – Malha base-emissor para o circuito da Figura 19.</p><p>Daí retira-se o valor de IB:</p><p>𝐼𝐵 =</p><p>𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵𝐸</p><p>𝑅𝐵 + 𝛽(𝑅𝐶 + 𝑅𝐸)</p><p>(27)</p><p>4.6.2 – Malha Coletor-Emissor</p><p>A malha coletor-emissor para o circuito da Figura 19 é mostrada na Figura 21.</p><p>Figura 21 – Malha coletor-emissor para o circuito da Figura 19.</p><p>Aplicando-se a 2ª Lei de Kirchoff no sentido horário obtém-se:</p><p>𝐼𝐸𝑅𝐸 + 𝑉𝐶𝐸 + 𝐼𝐶𝑅𝐶 − 𝑉𝐶𝐶 = 0 (28)</p><p>Como I’C ≡ IC e IE ≡ IC, temos</p><p>64</p><p>Cap. 4 – Polarização CC de TBJ</p><p>64</p><p>𝑉𝐶𝐸𝑄 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶 (𝑅𝐶 + 𝑅𝐸) (29)</p><p>Exemplo 5</p><p>Determine os valores de ICQ e VCE para o circuito da Figura 22.</p><p>Figura 22 – Circuito de polarização por realimentação de coletor</p><p>4.7 – Configuração Seguidor de Emissor</p><p>Neste tipo de configuração veremos na análise no modo CA que a tensão de saída está</p><p>em fase com a tensão de entrada, por isso o nome seguidor de emissor.</p><p>O equacionamento para se determinar as tensões e correntes de polarização seguem o</p><p>mesmo procedimento até aqui visto, para os casos anteriores.</p><p>Vamos tomar como exemplo o circuito da Figura 23. Para a análise CC o coletor está</p><p>aterrado e a tensão da fonte está aplicada ao terminal de emissor.</p><p>Figura 23 – Configuração coletor-comum ou seguidor de emissor.</p><p>Para o circuito de entrada resulta em:</p><p>65</p><p>Cap. 4 – Polarização CC de TBJ</p><p>65</p><p>𝐼𝐵 =</p><p>𝑉𝐸𝐸 − 𝑉𝐵𝐸</p><p>𝑅𝐵 + (𝛽 + 1)𝑅𝐸</p><p>(30)</p><p>Para o circuito de saída tem-se:</p><p>𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐸𝐸 − 𝐼𝐸 𝑅𝐸 (31)</p><p>4.8 – Configuração Base-Comum</p><p>Nesta situação vamos determinar primeiramente o valor de IE em lugar de IB. Então o</p><p>malha de emissor é a responsável pelo circuito de comando, enquanto que a malha de coletor</p><p>corresponde ao circuito de saída.</p><p>A Figura 24 mostra o transistor na configuração base-comum. É importante lembrar que</p><p>nesta configuração a corrente de coletor é igual a corrente de emissor, como visto anteriormente</p><p>nas curvas características de saída.</p><p>Figura 24 – Configuração base-comum</p><p>O circuito de entrada fornece a corrente de emissor – IE.</p><p>𝐼𝐸 =</p><p>𝑉𝐸𝐸 − 𝑉𝐵𝐸</p><p>𝑅𝐸</p><p>(32)</p><p>O circuito de saída tem-se a tensão VCB</p><p>𝑉𝐶𝐵 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝑅𝐶 𝐼𝐶 (33)</p><p>4.9 – Circuitos de Fonte de Corrente Constante</p><p>Se imaginarmos que as características de um transistor são como mostradas na Figura 25</p><p>(com β constante), uma excelente fonte de corrente pode ser criada utilizando-se a configuração</p><p>simples da Figura 26. Pois não importando qual seja a resistência de carga, a corrente de coletor</p><p>ou da carga permanecerá a mesma como mostra a Figura 27.</p><p>66</p><p>Cap. 4 – Polarização CC de TBJ</p><p>66</p><p>Figura 25</p><p>Figura 26</p><p>Figura 27</p><p>A corrente de carga na Figura 27 é fixa e, não importa onde se localize a reta, a corrente</p><p>de coletor permanecerá a mesma. Em outras palavras, a corrente de coletor independe</p><p>da carga</p><p>ligada ao circuito de coletor, portanto a corrente é uma perfeita fonte de corrente.</p><p>4.10 – Transistor PNP</p><p>Até aqui todos os circuitos foram utilizados transistores NPN. Para os transistores PNP</p><p>seguem-se os mesmos procedimentos, ou seja, determina-se inicialmente a corrente de base IB e</p><p>depois as variáveis de saída VCE. A única coisa que muda é o sinal associado às quantidades</p><p>específicas.</p><p>Por exemplo, o circuito da Figura 28, a corrente IE é dada por:</p><p>𝐼𝐸 =</p><p>𝑉𝐵 − 𝑉𝐸𝐵</p><p>𝑅𝐸</p><p>(34)</p><p>Sabendo-se que:</p><p>𝑉𝐵 =</p><p>𝑅2</p><p>𝑅1 + 𝑅2</p><p>𝑉𝑐𝑐</p><p>Para o circuito de saída, a tensão VCE é:</p><p>𝑉𝐸𝐶 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶 (𝑅𝐶 + 𝑅𝐸) (35)</p><p>Figura 28 – Transistor PNP na configuração de polarização estável do emissor</p><p>67</p><p>Cap. 4 – Polarização CC de TBJ</p><p>67</p><p>4.11 – Circuitos de Chaveamento com Transistor</p><p>Todos os transistores bipolares apresentam um hFE (relação IC/IB dado pelo fabricante ou</p><p>medido pelo multímetro digital) que varia na faixa de 20 a 1000.</p><p>Se β (relação IC/IB estipulado pelo projetista do circuito) fixar um valor de β menor do</p><p>que hFE isto garantirá que o transistor estará operando na região de saturação (chave fechada).</p><p>Portanto, para garantir que o transistor opere com chaveamento pode ser adotado:</p><p>𝛽 = 10 (36)</p><p>Vamos utilizar um transistor como acionador de um relé. Sem uma entrada na base do</p><p>transistor a corrente de base, a corrente de coletor e a corrente na bobina do relé se mantém no</p><p>estado desligado. No entanto quando for aplicado um pulso positivo na base, o transistor é ligado</p><p>e, estabelece uma corrente suficiente para acionar o relé.</p><p>Porém pode estabelecer problemas quando o sinal de base for removido. Isto porque a</p><p>abertura do transistor pode estabelecer uma tensão nos terminais da bobina de valor elevado:</p><p>𝑣𝐿 = 𝐿</p><p>𝑑𝑖</p><p>𝑑𝑡</p><p>(37)</p><p>Esta tensão pode ser de valor elevado que supere o VCEO do transistor, podendo ocorrer</p><p>até a queima do transistor. Para minimizar este efeito é colocado um diodo em paralelo com a</p><p>bobina do relé. Ele tem a função de descarregar a energia armazenada na bobina, descarregando</p><p>esta energia na resistência interna do diodo e do enrolamento da bobina.</p><p>A Figura 29 mostra a colocação do diodo, fazendo o papel de um diodo de roda-livre.</p><p>Este diodo deve suportar uma corrente igual à da bobina do relé, quando a mesma está energizada.</p><p>Figura 29 – Acionamento de um relé com o diodo de roda livre</p><p>4.12 – Projeto de uma Fonte Linear</p><p>Este projeto tem como finalidade dimensionar os componentes eletrônicos para a</p><p>implementação de uma fonte de potência linear que, por sua vez, irá alimentar o projeto</p><p>eletrônico de alarme, temporizador, iluminação, sonorização, etc.</p><p>68</p><p>Cap. 4 – Polarização CC de TBJ</p><p>68</p><p>Na Figura 30 é mostrado um diagrama de blocos contendo os estágios de uma fonte de</p><p>tensão típica e a forma de onda nos vários pontos do circuito.</p><p>Figura 30 – Diagrama de blocos mostrando os estágios de uma fonte de tensão linear</p><p>A tensão de entrada, para o estado de Goiás, é 220 V / 60 Hz. A principal finalidade do</p><p>transformador é isolar o circuito da rede do circuito eletrônico e, como segunda finalidade é</p><p>abaixar a tensão a níveis compatíveis com o circuito eletrônico.</p><p>Diodos retificadores são introduzidos após o transformador que têm a finalidade de</p><p>converter a energia CA em uma energia CC pulsante.</p><p>Para tornar a tensão mais contínua são colocados capacitores para filtrar a tensão na saída</p><p>do retificador. A ondulação (ripple) de tensão será tanto menor quanto maior forem os valores</p><p>dos capacitores. Entretanto, deve-se quanto maior o capacitor maior será a corrente de surto</p><p>podendo inclusive danificar os diodos do retificador.</p><p>O circuito regulador de tensão pode ser constituído de diodo zener ou até mesmo circuitos</p><p>integrados reguladores de tensão. Ele pode utilizar essa entrada CC para produzir uma tensão CC</p><p>que não só tem menos ondulação (ripple), como ainda mantém constante o valor da tensão de</p><p>saída, mesmo com variações de tensão na entrada ou na carga a ele conectado.</p><p>Ainda na saída do regulador de tensão são colocados mais capacitores para filtrar os</p><p>ruídos oriundos da carga.</p><p>No final temos a carga cujos parâmetros são importantes para a devida especificação da</p><p>fonte linear de potência, e dimensionamento dos componentes que compõe a fonte.</p><p>A seguir, são introduzidos os equacionamentos para determinação dos componentes</p><p>eletrônicos que compõe a fonte.</p><p>4.12.1 – Transformador abaixador</p><p>Considerando o transformador ideal, a seguinte relação é válida: “a potência do primário</p><p>é igual à potência do secundário”.</p><p>𝑃1 = 𝑃2 (38)</p><p>Daí pode-se dizer que:</p><p>𝑉1 𝐼1 = 𝑉2 𝐼2 (39)</p><p>A partir da corrente do secundário I2 é que teremos a corrente na carga e, da relação de</p><p>transformação de tensão V1/V2 podemos dimensionar o fusível no lado primário.</p><p>69</p><p>Cap. 4 – Polarização CC de TBJ</p><p>69</p><p>4.12.2 – Retificador</p><p>Os diodos da ponte retificadora ou do retificador com derivação central serão</p><p>dimensionados em função da corrente da carga. Como já dito anteriormente dois parâmetros são</p><p>de suma importância no dimensionamento dos diodos – IF e VR.</p><p>𝐼𝐹 ≥ 𝐼𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 (40)</p><p>Isto porque cada diodo contribui para 50 % da corrente da carga, portanto está se usando</p><p>um fator de segurança igual a 2. Onde VPIV representa o pico da tensão do secundário do</p><p>transformador.</p><p>𝑉𝑅 ≥ 𝑉𝑃𝐼𝑉 (𝑝𝑜𝑛𝑡𝑒) (41)</p><p>𝑉𝑅 ≥ 2 𝑉𝑃𝐼𝑉 (𝑑𝑒𝑟𝑖𝑣𝑎çã𝑜 𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑙) (42)</p><p>4.12.3 – Filtro a capacitor de entrada</p><p>O capacitor tem como finalidade filtrar a tensão de saída do retificador de maneira a ficar</p><p>a mais contínua possível. A Figura 31, como fica a forma de onda depois de introduzido o</p><p>capacitor como filtro de tensão.</p><p>Figura 31 – Tensão filtrada, com a introdução de capacitor</p><p>A equação que fornece o valor do capacitor de filtro de baixa frequência é dada por:</p><p>𝐶1 =</p><p>2,4 𝐼𝐶𝐶</p><p>𝑟 𝑉𝐶𝐶</p><p>[𝑚𝐹] (43)</p><p>Onde: ICC corrente contínua que corresponde ao mesmo valor da corrente da carga, r representa</p><p>o fator de ondulação (ripple) que é da ordem de 0,05 (cinco por cento) e, VCC representa a tensão</p><p>no barramento CC antes do transistor, que é o mesmo valor de pico da tensão do secundário do</p><p>transformador.</p><p>O capacitor C2 serve como um filtro de ruídos de alta frequência de entrada. O seu valor</p><p>pode ser estipulado na faixa de 330 nF até 1 μF e, são de poliéster.</p><p>70</p><p>Cap. 4 – Polarização CC de TBJ</p><p>70</p><p>4.12.4 – Regulador de tensão</p><p>O circuito regulador de tensão corresponde ao diodo zener, transistor de potência e o</p><p>resistor em série com o diodo zener para limitar a corrente no mesmo.</p><p>Para dimensionar o diodo zener é preciso saber qual o nível de tensão de saída - VO que</p><p>nós queremos. Como mostra o circuito da Figura 32, a tensão de zener deve ser dada pela soma</p><p>da tensão de saída mais VBE do transistor.</p><p>Figura 32 – Circuito regulador de tensão a diodo zener</p><p>Assim o diodo zener deve ser dado por:</p><p>𝑉𝑍 = 𝑉𝑂 + 𝑉𝐵𝐸 (44)</p><p>Para dimensionar o resistor R1, deve-se escolher uma corrente que passe por ele esteja</p><p>entre os valores de IZmín e IZmáx. Logo, a corrente que passa pelo resistor R1 pode-se dizer que é</p><p>a mesma que passa sobre o diodo zener, visto que a corrente de base do transistor de potência</p><p>pode ser considerada desprezível em comparação com IZ.</p><p>𝐼𝑍 =</p><p>𝐼𝑍𝑚í𝑛 + 𝐼𝑍𝑚á𝑥</p><p>2</p><p>(45)</p><p>Logo</p><p>𝑅1 =</p><p>𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝑍</p><p>𝐼𝑍</p><p>(46)</p><p>Para especificar o transistor de potência deve-se preocupar com a corrente máxima que</p><p>ele suporta. Para isto vamos utilizar</p><p>um fator de segurança igual a “4”. Então a corrente de coletor</p><p>deve ser igual a pelo menos quatro vezes a corrente da carga, já que toda corrente de carga passa</p><p>pelo coletor do transistor.</p><p>𝐼𝐶 ≥ 4 𝐼𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 (47)</p><p>A tensão VCEO do transistor deve ser maior do que a tensão de pico do secundário do</p><p>transformador, ou seja:</p><p>𝑉𝐶𝐸𝑂 = 𝑉𝑃𝐼𝑉 (48)</p><p>4.12.5 – Filtro a capacitor de saída</p><p>Geralmente este capacitor é a metade do valor de capacitância do filtro de entrada,</p><p>portanto:</p><p>71</p><p>Cap. 4 – Polarização CC de TBJ</p><p>71</p><p>𝐶3 ≅ 0,5 𝐶1 (49)</p><p>Por outro lado o capacitor C4 também funciona como um filtro de ruído de saída, e o seu</p><p>valor é dado por:</p><p>𝐶4 ≅ 0,5 𝐶2 (50)</p><p>4.12.6 – Led de sinalização</p><p>Para dimensionar o resistor R2 para limitar a corrente no led, vamos considerar</p><p>inicialmente que a corrente nominal do led seja de 20 mA e a queda de tensão no led, quando em</p><p>condução, é 2,0 V. Então R2 é dado por:</p><p>𝑅2 =</p><p>𝑉𝑂 − 𝑉𝑙𝑒𝑑</p><p>𝐼𝑙𝑒𝑑</p><p>(51)</p><p>4.12.7 – Diagrama esquemático geral da fonte linear</p><p>A Figura 33 apresenta um diagrama geral da fonte linear, com diodo zener, como</p><p>regulador de tensão.</p><p>REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS:</p><p>1. BOYLESTAD, Robert L. – Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos, 8ª ed. São</p><p>Paulo: Prentice Hall, 2004.</p><p>2. BOGART Jr, Theodore F. – Dispositivos e circuitos eletrônicos Vol. 1. São Paulo:</p><p>Makron Books, 2001.</p><p>3. MALVINO, Albert Paul – Eletrônica: Volume 1 – 4ª ed. São Paulo: Pearson Makron</p><p>Books, 1997.</p>