Se você é estudante de engenharia ou engenheiro, provavelmente conhece os transistores e a importância deles na eletrônica moderna.
Mas você já parou para pensar sobre a importância do viés de base para o funcionamento desses dispositivos? A polarização de base é a tensão direta aplicada ao contato de portador majoritário de um transistor.
É essencial para controlar o fluxo de corrente através do dispositivo.
Sem a polarização de base correta, um transistor não pode funcionar corretamente, o que pode levar a um comportamento estranho ou até mesmo falha.
Nesta postagem do blog, falarei sobre o que é viés de base e por que é tão importante para o funcionamento dos transistores.
Seja você um engenheiro experiente ou apenas começando no campo da eletrônica, você precisa entender o viés de base para ter um bom desempenho.
Então, vamos mergulhar e aprender juntos sobre o fascinante mundo do viés de base.
Compreendendo o viés de base e sua função em transistores
Definição formal:
A tensão direta aplicada ao contato de portadora majoritária (base) de um transistor.
Método de viés de base
A polarização de um transistor de junção bipolar (BJT) em um circuito de transistor é simples e fácil de fazer com a polarização de base.
Este método garante que a tensão de base correta, VBB, seja enviada para a base, que então envia a corrente de base correta para o BJT para que ele possa ligar.
Em um "circuito de polarização de base fixa", um resistor de polarização de base RB é conectado entre a base e uma bateria de base VBB.
Isso garante que a corrente de base do transistor permaneça a mesma para determinados valores de VCC.
Métodos para obter corrente de base de sinal zero
Existem várias maneiras de obter a corrente de base de sinal zero IB necessária, como polarização do coletor para a base, polarização com um resistor de realimentação do coletor ou polarização com um divisor de tensão.
Quando a região linear deste circuito é observada, mostra que DC tem um efeito direto sobre ela.
Aplicando a lei de tensão de Kirchhoff ao circuito base, podemos obter uma equação que mostra a relação entre IB e VBB.
Se você conhece VBB e RB, pode usar esta equação para descobrir IB.
Finalidade do resistor de polarização
Um resistor de polarização mantém corrente suficiente fluindo na base para que o transistor BJT não seja sobrecarregado nem desligado.
O resistor de polarização mantém o transistor em um determinado ponto de operação ou deslocamento DC.
Alguns BJTs têm um resistor de polarização interno para reduzir o número de peças em um projeto, mas resistores de polarização externos são necessários para ligar e desligar os BJTs.
Um transistor embutido de resistor de polarização (BRT) é um transistor bipolar que possui um resistor de base e um resistor de base-emissor embutidos.
Com esses resistores embutidos no transistor, os BRTs reduzem o número de peças externas necessárias e facilitam a configuração de circuitos discretos.
Polarização do transistor
A polarização do transistor é o processo de fornecer ao transistor uma tensão CC de modo que a junção emissor-base seja polarizada para frente e a junção coletor-base seja polarizada para trás.
Isso mantém o transistor em sua região ativa para que ele possa funcionar como um amplificador.
O uso de capacitores de acoplamento e desvio da maneira correta ajudará a impedir que qualquer corrente de polarização entre ou saia da base do transistor.
A polarização de um transistor permite que ele funcione de maneira analógica e digital.
Sem polarização, os amplificadores BJT não podem enviar a quantidade certa de energia para os terminais de carga.
Impacto da polarização no desempenho do amplificador
Como a base é configurada afeta o funcionamento de um amplificador de transistor.
"Viés de classe A" é o processo de configurar um amplificador de modo que o ponto de operação esteja no meio da parte reta da curva característica do transistor.
Os amplificadores de classe A são polarizados colocando uma tensão CC na junção base-emissor do transistor, de modo que seu ponto de operação sem sinal (quiescente) esteja em uma parte linear do comportamento do transistor.
O melhor valor para a tensão de polarização de um transistor é duas vezes a tensão de saída CA de pico.
Se você alterar a tensão de polarização de um transistor, o ponto Q também se moverá.
Revolucione seus eletrônicos: aproveite o poder do viés de base
Ainda difícil de entender? Deixe-me mudar um pouco o ponto de vista:
Você está cansado de seus transistores quebrando o tempo todo porque eles agem de forma estranha e não funcionam direito? Veja como é incrível o poder do viés de base.
Sim, colocar uma tensão direta no contato do portador majoritário do seu transistor pode fazer a diferença entre uma operação suave e confiável e um colapso de fogo.
Então, por que não deixar de lado a cautela e mergulhar no mundo selvagem do viés básico?
Ok, isso foi apenas uma piada feita para parecer um anúncio de TV.
Agora vamos voltar para a explicação.
Fatores que afetam o viés de base
Efeitos de temperatura no viés de base
A temperatura altera a tensão base-emissor (VBE) e a corrente de saturação reversa coletor-base.
Isso altera o ponto Q de um circuito de polarização de base (ICBO).
À medida que a temperatura aumenta, o VBE diminui a uma taxa de 2,5 mV/, enquanto o ICBO aumenta.
Isso faz com que a corrente de base IB suba, o que força IC a mudar, o que move o ponto Q do circuito.
Para evitar que ocorra fuga térmica, devem ser tomadas medidas para garantir que a polarização seja estável contra a propagação de hFE.
A polarização da base e a polarização do coletor para a base são menos afetadas por mudanças no VBE do que a polarização do divisor de tensão.
Isso torna a polarização de base e a polarização de coletor para base melhores escolhas para circuitos que precisam ser estáveis em diferentes temperaturas.
Quando o ponto Q de um transistor bipolar está próximo do meio de sua faixa de operação, ele é menos afetado pelas mudanças de temperatura.
Calculando a Tensão do Resistor de Base
A lei de Ohm e a lei da tensão de Kirchhoff são usadas para descobrir qual é a tensão do resistor de base em um circuito com uma polarização de base fixa.
A maneira mais fácil de polarizar um transistor é com um circuito de polarização de base fixa.
Neste circuito, a polarização da base permanece a mesma enquanto o transistor está funcionando.
Para configurar este circuito, você conecta um resistor de polarização de base entre a base e uma bateria de base VBB ou outra fonte de tensão constante.
Se tivermos um transistor =100 e quisermos obter uma corrente de emissor de 1mA, podemos usar a lei de Ohm e a lei de tensão de Kirchhoff para descobrir o tamanho que o resistor de polarização de base precisa ter.
Primeiro, temos que descobrir o que é VBB.
Podemos escrever: VCC = IB * RB + VBE usando a lei de tensão de Kirchhoff.
Como IB é aproximadamente igual a IE/, onde IE é a corrente do emissor, é o ganho CC do transistor e VBE é cerca de 0,7 V para transistores de silício, podemos escrever: VBB = VCC - (IE/)*RB - 0,7 v.
RB = (VCC - VBB - 0,7V)/(IE/) é o que você obtém quando calcula RB.
Você também pode usar calculadoras on-line, como a Calculadora de polarização do transistor da Omni Calculator.
Esta calculadora funciona apenas com transistores de junção bipolar (BJT) e oferece diferentes maneiras de definir a polarização, como polarização de base fixa, polarização de feedback do coletor, polarização de feedback do emissor e polarização do divisor de tensão.
Para usar esta calculadora para o método de polarização de base fixa, você pode inserir valores conhecidos como a tensão de alimentação (VCC), a corrente de coletor desejada (IC), o ganho CC () e a tensão de saturação (VCEsat).
A calculadora fornecerá resultados como corrente do emissor (IE), resistência do coletor (RC), resistência do emissor (RE) e resistência de base (RB).
Métodos para fornecer polarização para um transistor
Existem muitas maneiras diferentes de dar um viés a um transistor.
Entre eles estão:
- Base Bias ou "Fixed Current Bias" não é um método muito bom porque as tensões e correntes de polarização não permanecem as mesmas enquanto o transistor está funcionando.
- Base Bias with Emitter Feedback: Este método mantém o ponto de operação CC estável mesmo que a resistência mude conforme a temperatura muda.
- Viés de base com feedback do coletor: o nome desse método vem do fato de que, como o RB é baseado no coletor, há um efeito de feedback negativo que o torna mais estável do que o viés de base sozinho.
- Viés do coletor para a base: Neste método, uma tensão de polarização é colocada entre o coletor e a base do transistor.
Este método fornece uma tensão de polarização estável e pode ser usado em circuitos que precisam de estabilidade de temperatura.
- Viés do divisor de tensão: Neste método, a tensão de base é definida com uma rede divisora de tensão feita de dois resistores.
Técnicas avançadas para viés de base
A polarização de base é uma maneira importante de fazer com que os transistores bipolares funcionem em sua região linear, necessária para a amplificação.
Mas os circuitos de polarização de base são sensíveis a mudanças na temperatura e nos parâmetros do transistor, o que pode causar mudanças na corrente do coletor que são difíceis de prever.
Para melhorar o viés de base, as pessoas criaram outras maneiras de torná-lo mais estável e previsível.
Neste artigo, falaremos sobre técnicas avançadas de polarização de base, como polarização de feedback do emissor, polarização do emissor, polarização do divisor de tensão e polarização de base comum para misturar e multiplicar sinais.
Viés de feedback do emissor
A polarização do feedback do emissor é uma maneira de configurar um transistor que usa o feedback do emissor e o feedback do coletor de base para manter a corrente do coletor estável.
Neste método, um resistor de emissor é adicionado ao circuito de polarização de base.
Isso torna a polarização de base mais previsível, criando feedback negativo, que cancela qualquer alteração na corrente do coletor causada por uma alteração na tensão de base.
A polarização do feedback do emissor é melhor do que a polarização da base porque torna a polarização da base mais estável e menos sensível a mudanças na temperatura e nos parâmetros do transistor.
Esse método faz isso usando feedback negativo do resistor do emissor, o que torna essas alterações menos perceptíveis.
Polarização do Emissor
A polarização do emissor é muito estável mesmo quando a temperatura muda e usa uma tensão de alimentação positiva e negativa.
Em um transistor BJT de emissor comum, o emissor é conectado ao terra, então a tensão de entrada é medida na base em relação ao solo (o emissor) e a tensão de saída é medida no coletor em relação ao solo (o coletor) ( emissor).
A polarização do emissor pode tornar o ponto Q da região ativa de um amplificador mais estável, garantindo que a base do transistor esteja sempre polarizada corretamente.
É melhor do que o viés de base porque mantém o viés estável.
Viés do Divisor de Tensão
O circuito de polarização de base é menos estável do que o circuito de polarização do divisor de tensão.
A tensão de base, que não está relacionada com a tensão do coletor, é definida por uma rede divisora de tensão neste circuito.
Isso faz com que as mudanças na tensão do coletor e nos parâmetros do transistor tenham menos efeito no ponto de polarização.
Na maioria das vezes, a impedância de saída de um divisor de tensão é muito maior do que a de um circuito de polarização de base.
Isso torna o divisor de tensão mais estável.
Viés de Base
Os circuitos de polarização de base são mais fáceis de fazer e têm menos peças do que os circuitos de polarização do divisor de tensão, mas são menos estáveis.
A tensão de polarização de base está diretamente ligada à tensão do coletor.
Se a tensão do coletor ou os parâmetros do transistor mudarem, a tensão de polarização de base também mudará, tornando o circuito instável.
Viés de Base Comum para Mistura e Multiplicação de Sinal
Para misturar e multiplicar sinais em um circuito de base comum, um elemento não linear como um diodo ou um dispositivo ativo como um transistor ou FET recebe a quantidade certa de polarização.
Isso acontece quando dois sinais são enviados através de um elemento não linear.
Nas frequências de soma e diferença dos sinais originais, dois novos sinais são feitos em novas frequências.
Usar uma configuração de polarização do emissor com um capacitor de desvio é uma maneira de configurar um circuito de base comum para misturar e multiplicar.
Uma configuração de polarização do divisor de tensão com um capacitor de bypass é outra maneira de fazer isso.
Em resumo, o viés de base tornou-se mais estável e previsível por meio do uso de novas técnicas.
Mesmo quando os parâmetros de temperatura e transistor mudam, a polarização do feedback do emissor e a polarização do emissor mantêm a polarização muito estável.
A polarização de base é menos estável do que a polarização do divisor de tensão, e a polarização de base é usada para misturar e multiplicar sinais.
Junção Base-Coletor e Queda de Tensão Base-Emissor
Em um transistor de junção bipolar, a junção entre a base e o coletor é sempre polarizada inversamente.
Isso significa que uma alta tensão de polarização reversa pode ser aplicada à junção antes que ela se quebre.
A tensão de polarização reversa atua como uma polarização direta para portadores minoritários na base, acelerando-os através da junção base-coletor e na região do coletor.
Quando ambas as junções emissor-base e coletor-base são polarizadas diretamente, a corrente flui do emissor para o coletor.
Isso permite que o transistor faça seu trabalho.
Nesse estado, chamado de saturação, ambas as junções são polarizadas para frente e a tensão entre a base e o emissor é de pelo menos 0,7 V para transistores de silício ou 0,3 V para transistores de germânio.
Polarização da Junção Base-Emissor
A queda de tensão de polarização direta na junção base-emissor afeta o funcionamento de um transistor, diminuindo a barreira na junção emissor-base.
Isso permite que mais portadores cheguem ao coletor e aumenta o fluxo de corrente do emissor para o coletor e através do circuito externo.
Para que um transistor funcione como um amplificador, cada uma de suas junções deve ser alterada por uma tensão que vem de fora do transistor.
A primeira junção PN, que fica entre o emissor e a base, é polarizada na direção direta.
A segunda junção PN, que fica entre a base e o coletor, é polarizada na direção oposta.
Para ligar um transistor, a queda de tensão direta da base para o emissor (VBE) deve ser maior que zero, geralmente em torno de 0,6V.
Para que um transistor funcione, o diodo base-emissor deve ser polarizado para frente.
Quando VBE é superior a 0,6V, os transistores funcionam no modo ativo e aumentam os sinais.
Por outro lado, quando VBE é menor que 0,6 V, os transistores estão em um estado chamado "modo de corte", no qual nenhuma corrente flui através deles.
Para um transistor estar no modo ativo reverso, a tensão no emissor deve ser maior que a tensão na base, que deve ser maior que a tensão no coletor.
Técnicas de polarização de base
Diferentes métodos de polarização de base, como polarização de feedback do emissor e polarização do divisor de tensão, podem ser usados para estabilizar a corrente do coletor e torná-la mais fácil de prever.
A corrente do coletor é mantida constante com polarização de realimentação do emissor usando a realimentação do coletor de base e do emissor.
Quando um resistor de emissor é adicionado ao circuito de polarização de base, o efeito das mudanças na temperatura e nos parâmetros do transistor são diminuídos.
Isso torna o viés de feedback do emissor mais estável do que o viés de base sozinho.
A polarização do divisor de tensão usa uma rede divisora de tensão para definir a tensão de base, que é independente da tensão do coletor e oferece alta estabilidade de polarização.
Essa configuração é mais estável do que a polarização de base porque não usa uma segunda fonte de alimentação, o que pode causar problemas.
O ganho de corrente, e, de um transistor é igual à corrente de coletor dividida pela corrente de base.
Isso significa que uma pequena quantidade de corrente de base pode controlar uma corrente de coletor muito maior, que é a base do funcionamento de um transistor.
Para que uma corrente de coletor flua, todas as três partes do transistor devem ser polarizadas diretamente.
Isso significa que uma corrente deve ser direcionada para a base para que a condução ocorra.
A corrente de coletor de um transistor aumenta quando a tensão de polarização direta aumenta.
Limitações de tensão do coletor de base
Quão alta a tensão do coletor de base pode ir antes que o viés do emissor pare de funcionar depende do transistor que está sendo usado e de suas especificações.
Na maioria das vezes, o fabricante listará a classificação máxima de tensão do coletor de base (Vbc) para um transistor.
Essa classificação pode variar de alguns volts a várias centenas de volts.
Quando a tensão entre a base e o coletor ultrapassa a classificação máxima, o transistor pode quebrar e possivelmente ser danificado para sempre.
Mas a polarização do emissor ainda pode funcionar dentro da faixa operacional segura do transistor, mesmo se a tensão do coletor de base for maior que a classificação máxima.
Cálculos e análises de viés de base
Calculando a resistência de carga na polarização de base
Em um circuito de polarização do resistor de base BJT, a resistência de carga pode ser calculada usando a fórmula RL = (V CC - V BE) / IE, onde V CC é a tensão da fonte de alimentação, V BE é a tensão na base-emissor junção, e IE é a corrente do emissor.
Esta fórmula ajuda a descobrir quantos resistores de polarização são necessários para uma certa quantidade de corrente de emissor.
Configuração de polarização do divisor de tensão
Usando o Teorema de Thevenin, você pode encontrar a configuração de polarização para um divisor de tensão.
Neste método, dois resistores são conectados em série entre uma fonte de alimentação e o terra, e um resistor é conectado à base do transistor.
Nesta configuração, a resistência de carga é geralmente a próxima parte do circuito ou uma fonte de corrente.
Os resistores de polarização podem ser calculados usando a fórmula R1 = (V CC - V BE) * R2 / V BE, onde R1 é o resistor entre a base e o divisor de tensão, R2 é o outro resistor no divisor de tensão e V BE é a tensão na junção base-emissor (geralmente em torno de 0,6-0,7V para um transistor de silício).
Configuração de polarização de feedback do coletor
Na configuração de polarização de realimentação do coletor, uma corrente de emissor é definida colocando um resistor entre o coletor e a base de um transistor.
Dessa forma, fornece feedback e mantém o ponto de viés estável.
A Lei de Ohm pode ser usada para descobrir a resistência da carga, e a queda de tensão no resistor do coletor pode ser usada para descobrir a tensão do coletor.
Lembre-se de que existem outras maneiras de polarizar um circuito BJT, e o método escolhido dependerá do que o circuito precisa.
Circuito de polarização de feedback do coletor
Dica: Ative o botão de legenda se precisar. Escolha “tradução automática” no botão de configurações, se você não estiver familiarizado com o idioma falado. Pode ser necessário clicar primeiro no idioma do vídeo antes que seu idioma favorito fique disponível para tradução.
Casos de uso
| Usado em: | Descrição: |
|---|---|
| Amplificadores: | Em circuitos amplificadores, a polarização de base é usada para definir o ponto Q, que é o nível no qual o transistor funciona. Ao alterar a tensão de polarização, os engenheiros podem controlar o fator de amplificação e garantir que o sinal que sai permaneça na faixa desejada. |
| Ligando e desligando: | Em circuitos de comutação, onde os transistores são usados para ligar e desligar sinais elétricos, a polarização de base também é muito importante. Nesse caso, a tensão de polarização controla a tensão limite necessária para ligar o transistor. Isso permite que o circuito alterne entre ligado e desligado. |
| Fontes de poder: | Em circuitos de fonte de alimentação, a polarização de base é usada para garantir que a tensão de saída permaneça estável e na faixa correta. Ao definir a tensão de polarização para um determinado nível, os engenheiros podem controlar quanta corrente flui através do dispositivo e impedir que a tensão suba e diminua. |
| Osciladores: | Em circuitos osciladores, a polarização de base é usada para manter a frequência do dispositivo no nível correto. Os engenheiros podem garantir que o oscilador crie uma forma de onda estável alterando a tensão de polarização. |
| Circuitos de sensores: | Em circuitos de sensores, onde os transistores são usados para detectar mudanças na tensão ou corrente, a polarização de base também pode ser usada. Os engenheiros podem controlar a sensibilidade e a precisão do sensor, definindo a tensão de polarização para um determinado nível. Isso permite que o sensor detecte até mesmo pequenas alterações no sinal de entrada. |
Conclusão
No final, o viés de base é uma parte importante de como funciona um transistor que não pode ser ignorado.
A polarização de base adequada é importante para um desempenho confiável porque controla o fluxo de corrente e mantém o dispositivo estável.
Mas também é importante pensar sobre o que a polarização de base significa para a eletrônica em geral.
À medida que nosso mundo se torna cada vez mais dependente da tecnologia, precisamos pensar cuidadosamente sobre como projetamos e usamos esses dispositivos para minimizar seus efeitos no meio ambiente e em nossas comunidades.
Ao usar as ideias de viés básico em nossos processos de design e produção, podemos fabricar eletrônicos que não são apenas úteis, mas também ecológicos e bons para a sociedade.
Como engenheiros e tecnólogos, é nosso trabalho pensar sobre como nosso trabalho afeta a todos, e o viés básico é apenas uma pequena parte disso.
Portanto, vamos continuar ultrapassando os limites do que é possível, mantendo o quadro geral em mente.
Links e referências
Tensões de polarização do transistor e de polarização de saída:
https://resources.pcb.cadence.com/blog/2020-transistor-biasing-and-output-bias-voltages
Polarização do transistor bipolar:
https://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_transistor_biasing
Dispositivos de estado sólido Aula 18:
https://engineering.purdue.edu/~ee606/downloads/ECE606_f12_Lecture18.pdf
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