aulaEN011 - eletronica24h

Busca
Ir para o conteúdo

Menu principal:

×

aulaEN011

Educacional > Cursos > Eletronica Basica 1
Aula10            Indice de Aulas       Aula12
Eletrônica Básica 1  
Aula 11: Transistor Principio de Funcionamento  - Curvas Caracteristicas - Regiões de operação
Referencias
MALVINO, Albert. Eletronica V1
ALBUQUERQUE, R.O. ; PINTO, L.  F. Eletronica Analogica. V2.  São Paulo: Fundação Pe. Anchieta
SEDRA, A. Microeletronica


1. Curvas caracteristicas
    Existem varios graficos (curvas) , mas o mais importante são as curvas caracteristicas de coletor que relacionam a corrente  de coletor (IC)  com tensão   entre coletor e emissor (VCE) tendo como  parâmetro a corrente de base (IB). Para obter esses graficos experiementalmente usa-se o circuito da Figura 1. Neste circuito as duas baterias devem ser ajustaveis, VBB e VCC. Na base um  microamperimetro para medir IB, no coletor um miliamperimetro para medir IC e um voltimetro para medir VCE.
Como a junção base emissor está polarizada diretamente, VBE=0,7 V então o valor de IB, na Figura 1, pode ser calculado por:

 
                                 IB=(VBB-0,7V)/RBB


O valor  de IB é ajustado em um determinado valor, por exemplo IB=10 mA e VCE  é variado ( variando-se  VCC) e   IC  é medido.




Figura 1 - Circuito para obter as curvas caracteristicas de coletor

Tabela 1 - Obtendo as curvas caracteristicas de coletor -- Obtendo os dados
VCE(V)
0,10,20,512345
IC(mA)


Com os dados da tabela 1 é obtido  o gráfico da Figura 2.





Figura 2 - Curva de ICxVCE para IB= 10mA

Obs:
  • A relação entre IC e IB, IC/IB=200=;
  • Quando VCE for aproximadamente 1 V a junção base coletor começa a ficar polarizada reversamente e o Efeito Transistor faz com  que a corrente de coletor fique aproximadamente constante e igual, no exemplo, a 2 mA.
Se o procedimento for repetido para outros valores de IB serão obtidas as varias curvas chamadas de curvas características de coletor. Figura 3.



Figura 3 - Curvas caracteristicas de coletor


2. As regiões de operação do transistor
    O transistor pode operar de 3 formas como já visto no inicio, conforme as junções são polarizadas, direta-direta, reversa-reversa e direta reverda que correspondem respectivamente a saturação, corte e região ativa.

Região ativa ou região
A junção base emissor está polarizada diretamente e a  junção base coletor reversamente. Nessa região o transistor é usado como amplificador.
                                                   Nessa região vale a relação: IC=b.IB

Região de Saturação
As duas junções estão polarizadas diretamente. Nessa região o transistor é usado como chave fechada.
                                              Nessa região vale a relação: IC<b.IB

 
Região de Corte
As duas junções estão polarizadas reversamente. Nessa região o transistor é usado como chave aberta.
Nessa região todas as correntes são nulas:
                                                  IC=IB=0

Reta de carga
No circuito da Figura 4a a relação entre as tres tensões no circuito de coletor é:

VCC=RC.IC +VCE

A representação grafica dessa  equação no plano ICxVCE, curvas caracteristicas de coletor, é uma reta. Para desenhar uma reta bastam dois pontos.

     O primeiro ponto é obtido Fazendo  IC=0 na equação  resulta  VCE=VCC que é um ponto em cima do eixo horizontal, ponto B na Figura 4b. O Segundo ponto é obtido fazendo VCE=0 na equação resulta  IC=VCC/RC que é um ponto em cima do eixo vertical (ponto A), Figura 4c.


   
                                       ( a )                                                        ( b )   
                                                                          
                                                                                     ( c )
Figura 4 - Curva caracteristica e as tres regiões de operação  ( a ) circuito    ( b ) corte     ( c ) saturação

Ligando os pontos A e B obtem-se uma reta chamada de Reta de Carga. A importancia da reta de carga é que o ponto de operação é um dos infinitos pontos entre A e B, Figura 5. O pontoA é a saturação (transistor é uma chave fechada) e o ponto B é o corte (todas as correntes são zero) e o transistor é uma chave aberta. Entre A e B a corrente de coletor é proporcional a corrente de base (IC= .b.IB), o transistor funciona como amplificador.





Figura 5 - Curvas caracteristicas com a reta de carga

2.1. O transistor na região ativa
 
Na região ativa (entre A e B na Figura 5) vale: IC=b.IB e  VCE > 0 o transistor é usado como amplificador.
 
 
Exemplo: No circuito da Figura 5, o transistor tem  b=100,    VCC =12 V     RBB=100 k ,   RC =500 W e VBB =10 V   VBE=0,7 V. Determine os valores de IC, IB  e  VCE


               
Figura 6 -Circuito para exemplo transistor na região ativa  

 
Solução: Como a junção base emissor está polarizada diretamente então VBE=0,7 V, consequentemente a tensão em RBB vale 9,3 V, Figura 7. A corrente de base pode ser calculada:

                                     IB=9,3V/100k= 0,093 mA=93 mA
                                                       
Figura 7 - Resolvendo o circuito da Figura 6 - Indicando as tensões na entrada



Admitindo que o transistor está na região ativa:  IC=b.IB=100.0,093mA= 9,3 mA consequentemente  VRC=0,5k.9,3mA=4,65 V e portanto VCE pode ser determinado.

                                        VCE= 12 - 4,65 =7,35 V
                                                  
Figura 8 - Resolvendo o exercicio da Figura 6 - Calculando IC, VRC e VCE

2.2. O Transistor como chave
    Um transistor pode ser usado como chave fechada quando estiver saturado e  como chave aberta quando cortado.

Comparação com uma chave mecânica
Vantagens
 
  • Não apresenta desgastes;  
  • Não apresenta arco voltaico;  
  • Velocidade de comutação muito alta.

Desvantagens
 
  • Apresenta uma pequena queda de tensão;  
  • Apresenta uma pequena corrente de fuga (nA) quando aberta.

A região de saturação
Região ativa IC=b.IB  até o limite da saturação. Entrando na saturação IC<b.IB  ou   IB> IC/b .    Como o b  varia, para garantir a saturação é adotado o valor minimo, bmin. Na saturação, o transistor se comporta como uma chave fechada, Figura 9, isto é, o coletor e o emissor são ligados e VCE=0V.
 


                         
( a )                                                                        ( b )   
Figura 9 - ( a ) Transistor na saturação ( b ) circuito equivalente

 
Exemplo: Verificar qual o estado do transistor (Corte, saturação ou região ativa) no circuito da Figura 10. Dado: b=100  VBE=0,7 V



Figura 10 - Transistor na saturação - Exemplo
                     


Solução: Como a junção base emissor está polarizada diretamente então VBE=0,7 V, consequentemente a tensão em RBB vale 9,3 V. A corrente de base pode ser calculada:

IB=9,3V/10k= 0,93 mA=930 mA

Figura 11 - Determinado a corrente e tensões na entrada do circuito da Figura 10

Admitindo que o transistor está na região ativa:  IC=b.IB=100.0,93mA= 93 mA . Esse valor, 93mA,  NÃO é compativel com os valores  do circuito da Figura 11. Nesse circuito a maxima corrente de coletor vale 12V/0,5k = 24 mA. O  transistor está SATURADO.

A região de corte
  No corte as duas junções estão polarizadas reversamente e todas as correntes são nulas IC=IB=0. O transistor se comporta como uma chave aberta, Figura 12. O coletor e o emissor estão desconectados.



                                ( a )                                                                    ( b )
Figura 12 - ( a ) Transistor no corte ( b ) circuito equivalente

 
Para o transistor cortar a junção base emissor deve ser polarizada reversamente sendo que pata transistor  de  Si   basta VBE <0     de   Ge    VBE < -0,4 V.
 
CUIDADO!   A máxima tensão reversa na junção base emissor é BAIXA, da ordem de 10 V.




Exercicio resolvido 1
 Calcular Rc e RB para o TR saturar com ICsat=20mA. Dados: bmin=100  bmax=500   VBEsat=0,7 V    VCEsat=0 V




                                        ( a )                                                                      ( b )
Figura 13 - ( a ) Circuito para exercicio resolvido 1 ( b ) indicando dados no circuito

Solução:
Os valores dados (ICsat=20mA   VBEsat=0,7 V    VCEsat=0 V) devem ser indicados no circuito, Figura 13b. Olhando para o circuito da Figura 13b concluimos que VRC=12 V e como  a corrente em RC vale 20 mA, logo:
Rc=12V/20mA=0,6 k= 600 W

      Para  o TR saturar   IB.deve ser maior ou igual a IC/b  devendo ser usado o bmin por garantia (se saturar com o minimo, com mais razão satura com valor maior)
IBsat>=20mA/100=0,2 mA   a tensão em RB vale VRB=10-0,7=9,3 V  desta forma      RB<=9,3V/0,2mA=  46,5 kW  Por exemplo, é adotado RB=22 k, poderia ser outro valor? Claro! Qualquer valor menor ou igual a 46,5 kW.

Exercicio resolvido 2
     Calcular RB para que o transistor sature quando a saida do microcontrolador for 5 V energizando o relé, fechando o contato, e ligando o motor.
Dados:        bmin=100   e    bmax=500   VBEsat=0,7 V    VCEsat=0 V   Rele: 12V/40mA




Figura 14 - ( a ) Circuito para exercicio resolvido 2 ( b )


Solução:
A solução é semelhante à do exercicio 1, sendo mais simples pois não precisa calcular Rc. A corrente de coletor na saturação é igual a corrente no relé, ICsat=40mA. A minima corrente de base que satura o TR ligando o relé é:
IB=40mA/100=0,4 mA    
O valor maximo de RB é:
RB=(5-0,7)/0,4mA=10,75 kOhms   adotado   RB=4k7

Obs: O diodo em paralelo com a bobina do relé protege o TR de tensão elevada quando o TR vai de saturado para cortado

3 Experiencia: Regiões de operação do transistor - medida do beta
3.1 Abra o arquivo ExpEN1_20  Regiões de operação do transistor medida do beta  (Multisim 14) e identifique o circuito da Figura 12. Inicie a simulação ajustando Rv de forma que o TR fique na região ativa, por exemplo VCE=6 V. Meça IC e IB e calcule o valor do beta. Anote.
OBS; Use as letras A  maiuscula e a minuscula para variar RV. A janela deve ser ativada clicando na parte superior onde aparece o nome do arquivo.

Arquivo Multisim Live - medida do beta










Figura 12 - Circuito para experiencia
Fonte: Multisim V. 14

VCE=6 V
IB=__________          IC=_________ =IC/IB=_____  Região de operação=____________

VCE=4 V
IB=__________          IC=_________      =IC/IB=_____    Região de operação=____________

VCE=8 V
IB=__________          IC=_________      =IC/IB=_____     Região de operação=____________

3.2 Faça Rv=0 e meça meça IB, IC e VCE

IB=_______ IC=_______  VCE=______       Região de operação=____________

3.3  Mude a chave CH de posição, ligando-a ao terra desta forma fazendo VBE=0. Anote os valores de IB, IC e VCE.

IB=_______ IC=_______  VCE=______    Região de operação=____________

3.3  Escreva as suas conclusões.




4  Experiencia: Transistor como chave - aplicações
4.1  Abra o arquivo ExpEN1_21 transistor como chave aplicações  (Multisim 14) e identifique o circuito da Figura 13a. Inicie a simulação verificando o funcionamento do circuito com a chave na posição 1 e posição 2. Meça IB, IC VCE e VLE Anote.

Arquivo Multisim Live                                                                                                                    Arquivo Multisim Live
                                                                                                   



                                       ( a )                                                            ( b )
Figura 13 - Transistor como chave ( a ) ligando um LED  ( b ) ligando um relé
Fonte: Multisim V.14

Chave em 1:
IB=__________IC=___________VCE=___________VLED=______________  Transistor(saturado/cortado)________________
Chave em 2:
IB=__________IC=___________VCE=___________VLED=______________  Transistor(saturado/cortado)________________
4.2.Verifique o funcionamento do circuito da  Figura 13b mudando a posição da chave 2
4.3. Escreva as suas conclusões.

Aula10            Indice de Aulas       Aula12
 
Copyright 2015. All rights reserved.
Voltar para o conteúdo | Voltar para o Menu principal