Operação em modo ativo (BJT)

Quando um transistor está no estado totalmente desligado (como um interruptor aberto), diz-se que está corte . Por outro lado, quando é totalmente condutivo entre o emissor e o coletor (passando tanta corrente pelo coletor quanto a fonte de alimentação do coletor e a carga permitirem), é dito que está saturado . Estes são os dois modos de operação explorado até agora no uso do transistor como uma chave.

No entanto, os transistores bipolares não precisam ser restritos a esses dois modos extremos de operação. Como aprendemos na seção anterior, a corrente de base “abre uma porta” para uma quantidade limitada de corrente através do coletor. Se este limite para a corrente controlada for maior que zero, mas menor que o máximo permitido pela fonte de alimentação e circuito de carga, o transistor irá “estrangular” a corrente do coletor em um modo em algum lugar entre o corte e a saturação. Este modo de operação é chamado de ativo modo.

Corte, Saturação e Modo Ativo

Uma analogia automotiva para transistor operação é a seguinte:

Modo de corte - é a condição de nenhuma força motriz gerada pelas partes mecânicas do carro para fazê-lo se mover. No modo de corte, o freio é acionado (corrente de base zero), impedindo o movimento (corrente de coletor).

Modo ativo - é o automóvel navegando a uma velocidade constante e controlada (corrente de coletor constante e controlada), conforme ditado pelo motorista.

S aturação - o automóvel subindo uma colina íngreme que o impede de ir tão rápido quanto o motorista deseja. Em outras palavras, um automóvel “saturado” é aquele com o pedal do acelerador pressionado (corrente de base exigindo mais corrente de coletor do que pode ser fornecida pela fonte de alimentação / circuito de carga). Vamos configurar um circuito para simulação SPICE para demonstrar o que acontece quando um transistor está em seu modo ativo de operação. (Figura abaixo)

 simulação de transistor bipolar i1 0 1 dc 20u q1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 npn .dc v1 0 2 0,05 .plot dc i (vammeter) .fim 

Circuito para simulação SPICE de “modo ativo” e netlist.

“Q” é a designação de letra padrão para um transistor em um diagrama esquemático, assim como “R” é para um resistor e “C” é para um capacitor. Neste circuito, temos um transistor NPN alimentado por bateria (V1) e controlado pela corrente através de uma fonte de corrente (E1).

Uma fonte de corrente é um dispositivo que produz uma quantidade específica de corrente, gerando o máximo ou o mínimo de tensão em seus terminais para garantir que a quantidade exata de corrente passe por ele. As fontes de corrente são notoriamente difíceis de encontrar na natureza (ao contrário das fontes de tensão, que, por contraste, tentam manter uma tensão constante, emitindo tanta ou tão pouca corrente no cumprimento dessa tarefa), mas podem ser simuladas com uma pequena coleção de componentes eletrônicos . Como veremos, os próprios transistores tendem a imitar o comportamento da corrente constante de uma fonte de corrente em sua capacidade de regular corrente em um valor fixo.

Na simulação SPICE, definiremos a fonte de corrente (I1) em um valor constante de 20 µA, em seguida, variaremos a fonte de tensão (V1) em uma faixa de 0 a 2 volts e monitoraremos quanta corrente passa por ela. A bateria “fictícia” (Vammeter) na figura acima com sua saída de 0 volts serve apenas para fornecer ao SPICE um elemento de circuito para medição de corrente.



Uma tensão de coletor de varredura de 0 a 2 V com a corrente de base constante em 20 µA produz uma corrente de coletor de 2 mA constante na região de saturação.

A corrente de base constante de 20 µA define um limite de corrente do coletor de 2 mA, exatamente 100 vezes mais. Observe como a curva é plana (Figura acima) para a corrente do coletor na faixa de tensão da bateria de 0 a 2 volts. A única exceção a este gráfico sem características é no início, onde a bateria aumenta de 0 volts para 0,25 volts. Lá, a corrente do coletor aumenta rapidamente de 0 amperes até seu limite de 2 mA.

Vamos ver o que acontece se variarmos a tensão da bateria em uma faixa mais ampla, desta vez de 0 a 50 volts. Manteremos a corrente base estável em 20 µA. (Figura abaixo)

 simulação de transistor bipolar i1 0 1 dc 20u q1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 npn .dc v1 0 50 2 .plot dc i (vammeter) .fim 

Varredura da tensão do coletor de 0 a 50 V com a corrente de base constante em 20 µA produz uma corrente de coletor constante de 2 mA.

Mesmo resultado! A corrente do coletor na figura acima se mantém estável em 2 mA, embora a tensão da bateria (v1) varie de 0 a 50 volts. Parece, a partir de nossa simulação, que a tensão coletor-emissor tem pouco efeito sobre a corrente do coletor, exceto em níveis muito baixos (logo acima de 0 volts). O transistor está atuando como um regulador de corrente, permitindo exatamente 2 mA através do coletor e nada mais.

Agora vamos ver o que acontece se aumentarmos a corrente de controle (I1) de 20 µA para 75 µA, mais uma vez varrendo a tensão da bateria (V1) de 0 a 50 volts e traçando um gráfico da corrente do coletor na Figura abaixo.

 simulação de transistor bipolar i1 0 1 dc 75u q1 2 1 0 mod1 vammeter 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .model mod1 npn .dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u .plot dc i (vammeter) .fim 

Tensão de coletor de varredura de 0 a 50 V (.dc v1 0 50 2) com a corrente de base constante em 75 µA produz uma corrente de coletor constante de 7,5 mA. Outras curvas são geradas pela varredura de corrente (i1 15u 75u 15u) na declaração de análise DC (.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u).

Não é de surpreender que o SPICE nos dê um gráfico semelhante:uma linha plana, mantendo-se estável desta vez em 7,5 mA - exatamente 100 vezes a corrente de base - na faixa de voltagens da bateria de pouco acima de 0 volts a 50 volts. Parece que a corrente de base é o fator decisivo para a corrente do coletor, a voltagem da bateria V1 sendo irrelevante, desde que esteja acima de um determinado nível mínimo.

Esta relação tensão / corrente é totalmente diferente do que estamos acostumados a ver em um resistor. Com um resistor, a corrente aumenta linearmente à medida que a tensão através dele aumenta. Aqui, com um transistor, a corrente do emissor para o coletor permanece limitada a um valor máximo fixo, não importa quão alta a tensão entre o emissor e o coletor aumente.

Freqüentemente, é útil sobrepor vários gráficos de corrente / tensão do coletor para diferentes correntes de base no mesmo gráfico da figura abaixo. Uma coleção de curvas como esta - uma curva traçada para cada nível distinto de corrente de base - para um determinado transistor é chamada de curvas características do transistor :



Corrente do coletor versus tensão do coletor-emissor para várias correntes básicas.

Cada curva no gráfico reflete a corrente do coletor do transistor, traçada ao longo de uma faixa de tensões do coletor para o emissor, para uma determinada quantidade de corrente de base. Uma vez que um transistor tende a atuar como um regulador de corrente, limitando a corrente do coletor a uma proporção definida pela corrente de base, é útil expressar essa proporção como uma medida padrão de desempenho do transistor. Especificamente, a relação entre a corrente do coletor e a base da corrente é conhecida como Beta razão (simbolizada pela letra grega β):



Às vezes, a razão β é designada como “h fe , ” um rótulo usado em um ramo da análise matemática de semicondutores conhecido como “ parâmetros híbridos ”Que se esforça para alcançar previsões precisas de desempenho do transistor com equações detalhadas. As variáveis ​​de parâmetro híbridas são muitas, mas cada uma é rotulada com a letra geral “h” e um subscrito específico. A variável “hfe” é apenas outra forma (padronizada) de expressar a razão da corrente do coletor para a corrente de base e é intercambiável com “β”. A razão β é sem unidade.

β para qualquer transistor é determinado por seu projeto:ele não pode ser alterado após a fabricação. É raro ter dois transistores do mesmo projeto que combinem exatamente por causa das variáveis ​​físicas que afetam β. Se um projeto de circuito depende de relações β iguais entre vários transistores, “conjuntos combinados” de transistores podem ser adquiridos a um custo extra. No entanto, geralmente é considerada uma má prática de projeto projetar circuitos com tais dependências.

O β de um transistor não permanece estável para todas as condições de operação . Para um transistor real, a razão β pode variar por um fator de mais de 3 dentro de seus limites de corrente operacional. Por exemplo, um transistor com β anunciado de 50 pode testar com razões Ic / Ib tão baixas quanto 30 e tão altas quanto 100, dependendo da quantidade de corrente do coletor, da temperatura do transistor e da frequência do sinal amplificado, entre outros fatores. Para fins de tutorial, é adequado assumir uma constante β para qualquer transistor dado; perceba que a vida real não é tão simples!

Às vezes, é útil para a compreensão “modelar” componentes eletrônicos complexos com uma coleção de componentes mais simples e mais bem compreendidos. O modelo na figura abaixo é usado em muitos textos introdutórios sobre eletrônica.



Modelo elementar de transistor de diodo-resistor.

Este modelo projeta o transistor como uma combinação de diodo e reostato (resistor variável). A corrente através do diodo emissor de base controla a resistência do reostato coletor-emissor (conforme implícito pela linha tracejada que conecta os dois componentes), controlando assim a corrente do coletor. Um transistor NPN é modelado na figura mostrada, mas um transistor PNP seria apenas ligeiramente diferente (apenas o diodo emissor de base seria invertido).

Este modelo consegue ilustrar o conceito básico de amplificação de transistor:como o sinal de corrente de base pode exercer controle sobre a corrente de coletor. No entanto, o modelo comunica erroneamente a noção de uma determinada quantidade de resistência do coletor-emissor para uma determinada quantidade de corrente de base. Se isso fosse verdade, o transistor não regularia coletor de corrente em tudo, como mostram as curvas características. Em vez das curvas da corrente do coletor se achatarem após seu breve aumento conforme a tensão do coletor-emissor aumenta, a corrente do coletor seria diretamente proporcional à tensão do coletor-emissor, aumentando continuamente em uma linha reta no gráfico.

Um modelo de transistor melhor, frequentemente visto em livros mais avançados, é mostrado na figura abaixo.



Modelo de fonte atual do transistor.

Ele converte o transistor como uma combinação de um diodo e uma fonte de corrente, a saída da fonte de corrente sendo configurada em um múltiplo (razão β) da corrente de base. Este modelo é muito mais preciso ao descrever as verdadeiras características de entrada / saída de um transistor:a corrente de base estabelece uma certa quantidade de corrente do coletor , em vez de uma certa quantidade de resistência do coletor-emissor como o primeiro modelo implica. Além disso, este modelo é favorecido ao realizar análise de rede em circuitos de transistor, a fonte de corrente sendo um componente teórico bem conhecido. Infelizmente, usar uma fonte de corrente para modelar o comportamento de controle de corrente do transistor pode ser enganoso:de forma alguma o transistor jamais atuará como uma fonte de energia elétrica. A fonte atual não modela o fato de que sua fonte de energia é uma fonte de alimentação externa, semelhante a um amplificador.

REVER:

• Diz-se que um transistor está em seu ativo modo se estiver operando em algum lugar entre totalmente ligado (saturado) e totalmente desligado (corte).
• A corrente de base regula a corrente do coletor. Por regular , queremos dizer que não pode existir mais corrente de coletor do que o permitido pela corrente de base.
• A relação entre a corrente de coletor e a corrente de base é chamada de “Beta” (β) ou “hfe”.
• as razões β são diferentes para cada transistor e
• mudanças β para diferentes condições de operação.

PLANILHAS RELACIONADAS:

• Planilha de transistores de junção bipolar em modo ativo