Transistor como chave eletrônica e fonte de corrente

Transistor como chave eletrônica e fonte de corrente

O TRANSISTOR COMO CHAVE ELETRÔNICA E FONTE DE CORRENTE

OBJETIVOS: Analisar o comportamento de um transistor no corte e na saturação e sua utilização como chave eletrônica.

INTRODUÇÃO TEÓRICA

I - Transistor como chave eletrônica:

Um transistor pode operar como chave eletrônica, bastando para tal polarizá-lo de forma conveniente: corte ou saturação.

Quando um transistor está saturado opera como um curto (chave fechada) entre o coletor e o emissor de forma que VCE 0V e quando está no corte, opera como um circuito aberto (chave aberta) entre o coletor e o emissor, de forma que VCE VCC.

No ponto de saturação (chave fechada) a corrente de base é alta (IB SAT) e no ponto de corte (chave aberta) a corrente de base é zero.

Veja na figura a seguir um transistor operando como chave eletrônica e sua respectiva reta de carga.

Para obter o extremo superior da reta de carga (corrente IC) devemos supor um curto entre coletor e emissor (VCE = 0), de forma que toda a tensão de alimentação se fixe no resistor de coletor.

Teremos então: IC = VCC / RC

Para obter o extremo inferior da reta de carga, devemos supor os terminais de coletor e emissor abertos.

Teremos então: VCE = VCC

Fica então caracterizado que o transistor opera apenas em um dos extremos da reta de carga: corte ou saturação.

Podemos então, tomando como exemplo o circuito mostrado anteriormente, calcular a corrente de base e a corrente de coletor.

Aplicando LKT para calcular a corrente de base, temos:

IBRB +VBE - VBB = 0

onde:

OBS: VBE típica é da ordem de 0,7V

Supondo VBB = 4V e RB = 680k, a corrente de base (IB) será:

IB = (4V - 0,7V) / 680k = 4,85A

Para calcular a corrente de coletor podemos aplicar LKT na malha VCC, VRC e VCE, onde teremos:

VCC - VRC - VCE = 0

VRC = VCC - VCE

IC = VRC / RC ou IC = (VCC - VRC) / RC

No chaveamento eletrônico com transistores, devemos levar em conta dois tipos de saturação: fraca e forte.

Na saturação fraca, a corrente de base é suficiente para levar o transistor à saturação. Tal procedimento porém não é aconselhável visto que pode haver uma variação de CCe na própria corrente de base de saturação (IB SAT).

Utiliza-se normalmente a saturação forte, que assegura a condição de saturação para todos os valores de CC. Uma regra prática é considerar a corrente de base como 1/10 da corrente de saturação de coletor.

Desta forma, supondo que IC SAT = 12mA, então será fixada uma corrente de base de 1,2mA (relação 10:1).

Tomemos como exemplo o circuito abaixo, onde verificaremos se o mesmo está operando como chave eletrônica.

a) Considerando uma tensão de base igual a zero (chave no ponto B), a corrente de base será igual a zero (condição de corte) e a corrente de coletor será igual a zero.

Nestas condições o transistor operará como uma chave aberta e a tensão no resistor de coletor será zero, pois VRC = RCIC; logo, a tensão entre coletor e emissor será igual a 12V pois VCE = VCC - VRC.

Quando a tensão de base for 6V, a corrente de base ficará:

IB = (VBB - VBE) / RB = ( 6 - 0,7) / 5.600 = 0,964mA

b) Imaginemos um curto entre o coletor e emissor (chave na posição A). Neste caso, a tensão entre coletor e emissor assume idealmente 0V e a corrente de saturação do coletor pode ser assim calculada:

VRC = VCC - VCE = 12 - 0 = 12V

IC SAT = VRC / RC = 12 / 1.200 = 10mA

Comparando a corrente de base com a corrente de coletor, verifica-se que esta última é cerca de 10 vezes maior do que a corrente de base, o que assegura a saturação para uma vasta gama de CC.

II - Transistor como fonte de corrente:

Consideremos o circuito a seguir:

A diferença básica em relação ao circuito anterior (transistor operando como chave) é a inclusão de um resistor do emissor à terra. Nestas condições o transistor opera como fonte de corrente uma vez que, a corrente de coletor mantém-se constante para uma vasta gama de CC e variações de VCC.

Nestas condições, presume-se o circuito operando em qualquer ponto da reta de carga (ponto Q), dependendo da corrente necessária.

A figura abaixo ilustra a reta de carga, onde a corrente IC é calculada da seguinte forma seguindo o procedimento anterior, porém, com a inclusão do resistor de emissor.

IC = VCC / (RC + RE)

Podemos então calcular a corrente de emissor. Aplicando LKT, temos:

VBB - VBE - IERE = 0

IE = (VBB - VBE) / RE

IE = (2 - 0,7) / 270 = 4,81mA

Assim, para uma vasta gama de CC teremos IE IC.

PARTE PRÁTICA

MATERIAIS NECESSÁRIOS

1 - Fonte de alimentação simétrica 0-20V

1 - Multímetro analógico ou digital

1 - Módulo de ensaios ELO-1

CHAVEAMENTO ELETRÔNICO

1 - Monte o circuito abaixo:

2 - Calcule os valores de IB, IC e VCE e anote na tabela 1;

OBS: para efeito de cálculo da corrente IC, considere a queda de tensão nos extremos do led = 1,6V.

3 - Meça e anote os valores listados na tabela 1 para os três transistores (BC337, BC547 e BC548).

TABELA 1

CALCULADO MEDIDO

TRANSISTOR

IB

IC

VCE

IB

IC

VCE

BC337

BC547

BC548

4 - Analise os valores calculados e medidos na tabela 1 e apresente suas conclusões:

______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Verificação de defeitos - TRANSISTOR COMO CHAVE:

5 - Suponha que o resistor de base esteja aberto. Calcule a anote na tabela 2 a tensão no coletor;

6 - Repita o procedimento do item 5 para cada defeito listado na tabela 2;

7 - Simule cada um dos defeitos, proceda as medidas e anote na tabela 2.

OBS: para simular os defeitos utilize o transistor BC547

TABELA 2 : Verificação de defeitos

DEFEITO

VC calculada

VC medida

Resistor de 10k aberto

Resistor de 1k aberto

Coletor-emissor em curto

Coletor-emissor aberto

Projeto:

8 - Determine o valor de um resistor de coletor (valor comercial), baseando-se no circuito desta experiência, para que a corrente no coletor seja próxima de 32mA.

9 - Monte o circuito com o resistor que você calculou (utilize o transistor BC547) e complete a tabela 3.

TABELA 3: Projeto

RC calculado: _____________

CALCULADO MEDIDO

TRANSISTOR

VE

IC

VE

IC

BC547

FONTE DE CORRENTE

10 - Monte o circuito abaixo:

11 - Calcule VE, IC e VCE e anote na tabela 4;

OBS: considere a queda de tensão no led = 1,6V

12 - Meça e anote os valores listados na tabela 4 para os três transistores (BC337, BC547 e BC548);

TABELA 4

CALCULADO MEDIDO

TRANSISTOR

VE

IC

VCE

VE

IC

VCE

BC337

BC547

BC548

13 - Analise os valores calculados e medidos na tabela 4 e apresente suas conclusões:

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

VERIFICAÇÃO DE DEFEITOS - FONTE DE CORRENTE:

14 - Suponha que o resistor de emissor esteja aberto. Calcule a anote os valores de tensão listados na tabela 5;

15 - Simule cada um dos defeitos, proceda as medidas e anote na tabela 5.

OBS: para simular os defeitos utilize o transistor BC547

TABELA 5: Verificação de defeitos

CALCULADO MEDIDO

DEFEITO

VC

VE

VC

VE

Resistor de 220 aberto

Coletor-emissor em curto

Coletor-emissor aberto

Projeto:

16 - Determine o valor de um resistor de emissor (valor comercial), baseando-se no circuito desta experiência, para que a corrente no coletor seja próxima de 32mA.

17 - Monte o circuito com o resistor que você calculou (utilize o transistor BC547) e complete a tabela 6.

TABELA 6: Projeto

RE calculado: _____________

CALCULADO MEDIDO

TRANSISTOR

VE

IC

VE

IC

BC547

QUESTÕES:

1 - Quando um transistor está em saturação forte, os terminais entre coletor e emissor parecem estar aproximadamente:

a) abertos

b) em curto

c) na região ativa

d) em corte

2 - Em um transistor usado como fonte de corrente, o emissor está amarrado a uma queda de tensão entre base e emissor (VBE) abaixo da:

a) tensão de base

b) tensão de emissor

c) tensão de coletor

d) tensão entre base e coletor

3 - Podemos afirmar que um transistor operando como chave em saturação forte, a corrente IC varia muito em função de pequenas variações de CC.

a) certo b) errado

4 - Um transistor como fonte de corrente opera:

a) exclusivamente na região de corte

b) exclusivamente na região de saturação

c) somente na região linear

d) na região de corte, saturação ou linear

5 - Um transistor como chave eletrônica opera virtualmente na região de corte e na região de saturação.

a) certo b) errado

6 - Projete e esquematize uma chave eletrônica com transistor PNP, para acionar uma carga de 60mA. Escolha através das especificações de fabricantes (Data Book) o transistor adequado para esta operação (apresente os cálculos).

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O transistor como chave eletrônica e fonte de corrente – Prof. Edgar Zuim

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