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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, mas o mais importante são as curvas caracteristicas de coletor que relacionam a corrente  de coletor com tensão   entre coletor e emissor tendo como  parâmetro a corrente de base. 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 pode ser calculado por:


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 - Levantando as curvas caracteristicas de coletor
VCE(V)
0,10,20,512345
IC(mA)


Com os dados da tabela 1 é levantado 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 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 que corresponde respectivamente a saturação, corte e região ativa.

Região ativa ou região de amplificação
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=.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<.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 e 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), 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

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.

Figura 5 - Curvas caracteristicas com a reta de carga

2.1. O transistor na região ativa
 
Na região ativa vale: IC=.IB e  VCE > 0
 
 
Exemplo: No circuito  =100    VCC =12 V     RBB=100 k    RC =500    VBB =10 V   VBE=0,7 V. Determine os valores de IC, IB  e  VCE

                     ( a )                                                                                             ( b )                                                                            ( c )
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 6b. A corrente de base pode ser calculada:

IB=9,3V/100k= 0,093 mA=93 A

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

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=.IB  até o limite da saturação. Entrando na saturação IC<.IB  ou   IB> IC/ .    Como o  varia, para garantir a saturação é adotado o valor minimo, min.
 
                                       ( a )                                                                                     ( b )
Figura 7 - ( a ) Transistor na saturação ( b ) circuito equivalente

 
Exemplo: Verificar qual o estado do transistor. Dado: =100  VBE=0,7 V


                          ( a )                                                                    ( b )
Figura 8 - 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 A

Admitindo que o transistor está na região ativa:  IC=b.IB=100.0,93mA= 93 mA . Esse valor NÃO é compativel com os valores  do circuito da Figura 8a. Nesse circuito a maxima corrente de coletor vale 12V/0,5k = 24 mA. O que acontece é 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 9.

                                 ( a )                                                               ( b )
Figura 9 - ( 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: min=100  max=500   VBEsat=0,7 V    VCEsat=0 V

                                        ( a )                                                                      ( b )
Figura 10 - ( a ) Circuito para exercicio resolvido 1 ( b ) indicando dados no circuito

Solução:
Os valores dados devem ser indicados no circuito, Figura 10b. Olhando para o circuito da Figura 10b concluimos que VRC=12 V e como  a corrente em RC vale 20 mA, logo:
Rc=12V/20mA=0,6 k= 600
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 k   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:            min=100  max=500   VBEsat=0,7 V    VCEsat=0 V   Rele: 12V/40mA

Figura 11 - ( a ) Circuito para exercicio resolvido 1 ( 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 k    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    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.

Figura 12 - Circuito para experiencia

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 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 VLED. Anote.

                                       ( a )                                                            ( b )
Figura 13 - Transistor como chave ( a ) ligando um LED  ( b ) ligando um relé

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.

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