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Aula10 Indice de Aulas Aula12
Eletrônica Básica 1
Aula 11: Transistor Principio de Funcionamento - Curvas Caracteristicas - Regiões de operação
Bibliografia 1. Curvas caracteristicas
Existem varias curvas, mas a mais importante são as curvas caracteristicas de coletor que relacionam a corrente de coletor com a 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:
Figura 1 - Circuito para obter as curvas caracteristicas de coletor
Tabela 1 - Levantando as curvas caracteristicas de coletor
| VCE(V) | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,5 | 0,7 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
| IC(mA) |
Com os dados da tabela 1 é levantado o gráfico da Figura 2.
Figura 2 - Curva de ICxVCE para IB= 10 mA
Obs:
- A relação entre IC e IB, IC/IB=200=b;
- 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, no exemplo, 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-reversa 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=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
A 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 - ( a ) Circuito emissor comum ( b ) Curva caracteristica e as tres regiões de operação mostrando o corte (ponto B) e a saturação (ponto A)
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 (Q) 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
N a região ativa vale: IC=β.IB e VCE > 0
Exemplo: No circuito β=100 VCC =12 V RBB=100 k RC =500 W VBB =10 V VBE=0,7 V. Determine os valores de IC, IB e VCE
( a ) ( b ) ( c )
Figura 6 - ( a ) Circuito para exemplo transistor na região ativa ( b ) determinando IB ( c ) determinando IC e VCE
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 mA Figura 6b
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 6c
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=β.IB até o limite da saturação. Entrando na saturação IC<β.IB ou IB> IC/β . Como o β varia, para garantir a saturação é adotado o valor minimo, βmin.
( a ) ( b )
Figura 7 - ( a ) Transistor na saturação ( b ) circuito equivalente
Exemplo: Verificar qual o estado do transistor. Dado: β=100 VBE=0,7 V
( a ) ( b )
Figura 8 - Transistor na saturação ( a ) circuito ( b ) calculo das correntes
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
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
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: bmin=100 bmax=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 Ohms
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 kOhms Por exemplo, é adotado RB=22 k, poderia ser outro valor? Claro! Qualquer valor menor ou igual a 46,5 kOhms.
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 bmax=500 VBEsat=0,7 V VCEsat=0 V Rele: 12V/40mA
Figura 11 - Circuito para exercicio resolvido 1
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 kW adotado RB=4k7
3. Experiencia: Regiões de operação do transistor - medida do beta
3.1. Abra o arquivo ExpEN1 Regiões de operação 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 Regiões de operação do transistor - medida do beta
VCE=6 V
IB=__________ IC=_________ b=IC/IB=_____
VCE=4 V
IB=__________ IC=_________ b=IC/IB=_____
VCE=8 V
IB=__________ IC=_________ b=IC/IB=_____
3.2. 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=______
3.3. Escreva as suas conclusões.
4. Experiencia: Transistor como chave
4.1. Abra o arquivo ExpEN1 transistor como chave 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
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 com a chave 2 na posição 1 e posição 2
4.3. Escreva as suas conclusões.
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