eletrônica aplicada - elt 11 comuta??o com transistor bipolar

eletrônica aplicada - elt 11 comuta??o com transistor bipolar

(Parte 1 de 2)

E-mail: eliesio@etrr.com.br

ELIÉSIO 1

ESCOLA TÉCNICAREZENDE-RAMMEL
NOMETURMA _ ANO _

Nos circuitos de controle e automação industrial o profissional mecatrônico encontrará uma grande quantidade de circuitos usando o transistor bipolar, por isto, a importância deste conhecimento.

Dependendo da polarização aplicada à base, um transistor bipolar pode operar em três regiões com características bem definidas:

a] Região de corteÆ onde teremos uma corrente de coletor muito baixa,

podendo praticamente ser considerada como zero e em conseqüência uma tensão entre coletor muito elevada, na prática podendo ser considerada igual ao VCC aplicado no circuito.

b] Região de saturaçãoÆOnde teremos uma corrente de coletor muito alta.

Esta corrente será limitada pela carga do circuito, já que a tensão entre coletor e emissor é muito baixa

[±0,3 V], podendo praticamente ser considerada com zero
c] Região de ativaÆ na região ativa teremos o transistor com corrente de

coletor dependendo da corrente injetada na base [IC=βIB]. Se não forem atingidos os pontos de saturação e corte teremos na saída tensão e corrente com variação linear.

Quando o transistor trabalha na região de corte e saturação, ele está trabalhando em comutação, isto significa utilizar o transistor como chave. Quando trabalha na região ativa, o transistor é utilizado, com a devida polarização, como amplificador.

IC = 0eV CE = VCC IC = ICmáximo e VCE = 0

IC e VCE dependem de IB

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ELIÉSIO 2

IC
Corte ativa saturação
ICsat
IB
0 IBsat

Se tivermos corrente de base menor ou igual a zero, o transistor funciona na região de corte que significa corrente de coletor nula. Se tivermos uma corrente de base maior que zero e um valor menor que IBsat, opera na região ativa, com uma corrente de coletor dependendo de β[ganho de corrente na configuração emissor comum] onde IC=βIB.

Se a corrente de base for maior que IBsat, o transistor irá funcionar na região de saturação.

Neste caso teremos fluindo pelo coletor uma corrente que será limitada pela polarização do transistor.

IC[mA]
IB[µA]
IB=0
0 VCC VCE[V]
definida pela polarização de base

Pode ser analisada a corrente de coletor em função da tensão VCE do transistor. Neste caso observamos a reta de carga sobre a qual estará posicionado o ponto de trabalho do transistor. A inclinação da reta de carga será definida pelo resistor de carga que limita a corrente de coletor e o ponto de trabalho estático [sem sinal aplicado] será determinado pela corrente injetada na base que é

Para utilizarmos um transistor como chave, devemos saber que quando ele está no corte conduz uma corrente muito pequena, sendo este valor desconsiderado, podemos considerá-lo uma chave aberta já que, entre os terminais de coletor e emissor teremos praticamente todo VCC aplicado. Quando está na saturação conduz uma elevada corrente, entre os terminais de coletor e emissor teremos uma pequena tensão [± 0,3 V], se desconsiderada podemos olhar o transistor como uma chave fechada.

Como as condições de corte e saturação é determinada pelo circuito da base, pode-se estabelecer a seguinte relação entre um transistor e um interruptor. As lâminas de contato do interruptor são equivalentes ao coletor e emissor, e a tecla que provoca a ligação de ambas as lâminas equivale à base. A força que move a tecla é o sinal aplicado à base.

ET C E S C
0 B B
ET C E S C
B B

Transistor no corteÆ chave aberta Transistor na saturaçãoÆ chave fechada

Esta analogia seria totalmente certa, no circuito coletor-emissor, se o transistor em saturação apresenta-se uma tensão VCE=0 e, em corte, uma corrente IC=0, o que já verificamos não corresponder à realidade. Entretanto na maioria dos casos os valores por serem pequenos podem ser perfeitamente saturaçã corte ativa

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ELIÉSIO 3 desprezados, e o transistor bipolar pode ser tratado como um interruptor ideal, já que o transistor só deixa circular corrente pelo circuito coletor-emissor no sentido imposto pelos portadores majoritários.

ch + VBB

Temos o circuito simples de polarização de um NPN empregando duas baterias VBB e VCC [no caso de PNP, teremos uma inversão na posição das baterias]. Quando ch está aberto, a corrente de base é nula: logo, o transistor permanece em corte. Isto equivale a dizer que IC= 0 e VCE=VCC IC

VCCVCE

Quando ch está fechado, supondo que VB proporcione uma corrente de base suficiente

[IBsaturação], o transistor ficará saturado; então

IC=VCC/RC e VCE= VCE saturação. Se não houver uma variação dos componentes do circuito e só

não se ultrapassem as especificações máximas

atuarmos sobre a chave, o transistor permanecerá em corte ou em saturação caso a chave fique aberta ou fechada. O circuito de chaveamento não requer nenhum componente adicional, já que o circuito não necessita de estabilização, o único requisito é que

É importante observar que este tipo de circuito não requer nenhum componente adicional, pois não necessita estabilização alguma do ponto de trabalho, já que funciona no cote ou saturação. O único requisito é que não sejam ultrapassadas as especificações de corrente e tensão recomendadas pelo fabricante do transistor.

VoVcc ch

O transistor no circuito apresentado trabalha no corte-saturação, ou seja, em regime de comutação. Do ponto de vista prático, este circuito não tem utilidade, pois estaremos com uma chave acionando outra chave [o transistor]. O usual é que a tensão VB seja fornecida por um circuito com dois níveis bem diferenciado com condição de saturar e cortar o transistor, e, que a troca de nível seja suficientemente rápida, para que o transistor permaneça o menor tempo possível na região ativa; ou seja, que demore em comutar. Se tivermos a passagem da região de corte para saturação em tempo rápido. Se isto ocorrer não teremos dissipação de potência sobre no transistor. [PDC=VCE x IC] Pois teremos sempre IC=0 ou VCE=0. Este circuito será utilizado para definirmos as equações de polarização do transistor.

CERCCCCERCCCVVVVVV+=⇒=−−+0como RCIVCRC= teremosCECCCVRCIV+=

Equação da malha de saída

VVICECCC−=

saturação corte

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BERBCCBERBCCVVVVVV+=⇒=−−+0como RBIVBRB= teremosBEBCCVRBIV+=

Equação da malha de entrada Sendo minβCBII=

VVRBCECC−=

Quando o circuito provoca comutação não apenas por um sinal ou dispositivo que simule o chaveamento, mas por contato elétrico que podem estar normalmente abertos [NA] ou normalmente fechados [NF]. Neste caso deve-se prover o transistor de um circuito de polarização de base com possibilidade de ser ativado por estes contatos. No circuito 1 teremos Q normalmente no corte ficando saturado quando S for acionada. No circuito 2 teremos Q saturado ficando no corte quando S for acionada. Poderemos montar os circuitos com chave de contatos normalmente fechados, caso a necessidade seja o inverso.

vout vin

Supõe-se que vin forneça corrente suficiente para saturar o transistor [Q], e que VCC=12V / IC=10mA / βsat=50 / VBEsat=1V Q=BC548 / vin=5Vp, teremos:

VBEvinRC−=mAmAB

sat satIB

ICIB sat sat 2,050

Usando βmínimo [hFEmínimo] estaremos garantindo a saturação do transistor vin vout

RB=15kΩ/½W Q=BC548 VCC=12V

Circuito 1

Circuito 2

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Circuito de saída A saída do circuito pode ser usada em duas situações distintas:

• Quando a própria carga é o componente que será energizado pela fonte de tensão quando o transistor passar para a saturação, como uma lâmpada, um relé, um LED. Ë importante conhecer as características da carga para escolher o transistor adequado e projetar o circuito associado ao transistor.

• Quando o sinal no coletor é utilizado como entrada de outro circuito, o que implica levar em consideração as características de entrada desse circuito para escolher o valor adequado de RC e o transistor para o casamento de impedância recomendado.

Circuito inversor

Quando utilizado o transistor com configuração de emissor comum, teremos a saída defasada 180º, ou seja, invertida em relação ao sinal de entrada.

Quando o transistor é ativado por um sinal de entrada [elétrico ou mecânico], se considerarmos que as mudanças de nível deste sinal não são realizadas em tempo nulo, que do ponto de vista físico, isto é impossível. Será necessário levar em consideração a duração da transição entre níveis em função da permanência do sinal em cada nível.

Observamos na figura A apresentada que o tempo de transição de um nível a outro de um sinal retangular simétrico [ambos os níveis com igual duração] é de 1 µs. Se a freqüência é de 1kHz, teremos um período de 1ms. Como o ciclo compreende duas transições, a duração delas será de 2 µs, representando 0,2% do período. O que torna possível desprezar este tempo. Na prática, pode ser desprezado valor menor que 10%.

Na figura B temos também um sinal retangular simétrico com os tempos de transição com 1 µs, e freqüência de 250kHz cujo período representa 4 µs. Neste caso os tempos de transição representam 50% do período total do ciclo e não podem ser desprezados.

Tempo de subida e de descida de uma onda quadrada

V

0,9V

0
tr tf

0,1V

Tempo de subida [tr]Æ Tempo de subida Tempo transcorrido dede a variação do sinal entre 10% e 90% do valor máximo, tomando zero como valor mínimo.[trÆtime rate-tempo da inclinação]

Tempo de descida [tf]Æ Tempo de queda Tempo transcorrido desde a variação do sinal entre 90% e 10% do sinal máximo, tomando o zero como nível inferior.

Tempo de transição longos frente ao período ⎨⎬

1µ s 1µ s 1µ s 1µ s 1µ st

1µs 498 µ s1 µst

Tempos de transição curtos frente ao período.

A Figura

Figura B

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ELIÉSIO 6 vout vin

tdtr ts tf
ton toff

Se ao circuito apresentado, aplicarmos um sinal quadrado, cujos tempos de transição são desprezíveis, observamos que o transistor introduz atrasos nas transições, que poderão ter importância dependendo da duração desses atrasos face ao período do sinal aplicado à entrada. Concluímos que existe uma freqüência máxima de trabalho e que a partir dela os resultados não serão aceitáveis se desejamos obter como saída uma onda quadrada. Estes tempos são denominados tempo de conexão[ligação] e tempo de desconexão [desligamento].

Tempo de ligação [ton] Æ o tempo de ligação é dividido em dois períodos distintos:

1] Tempo de atraso [td] Æ três fatores contribuem para o tempo de atraso. Primeiro, quando o sinal é aplicado na entrada do transistor, um certo tempo é necessário para “carregar” o capacitor formado pela região de transição da junção emissor-base, de maneira que o transistor passe da região de corte para região ativa.

Segundo, mesmo quando os portadores minoritários atravessam a junção emissorbase do transistor e penetram na base, um certo intervalo de tempo é necessário para que esses portadores atravessem a região da base e alcancem a junção coletor-base e formem a corrente de coletor.

CCBE B C
IE IC

Terceiro, é o tempo necessário para que a corrente de coletor alcance 10% de seu valor máximo.

2] Tempo e subida[tr]Æ e o intervalo de tempo que o transistor leva para entrar na região ativa. Representa o intervalo de tempo que a corrente de coletor leva para variar de 10% até 90% do valor máximo [ICsat].

Tempo de desligamento [toff] Æ é maior que o tempo de ligação e também se divide em dois períodos.

1] Tempo de armazenamento [ts] Æ é o maior e denomina-se assim devido ao fato de que um transistor na saturação apresenta um excesso de carga de portadores minoritários armazenados na base. O

transistor não responde enquanto esse excesso de carga de saturação não for removido

2]Tempo de descida [tf]Æ é devido ao tempo necessário para que a corrente de coletor varie de 90% para 10% do seu valor máximo [ICsat]

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rdonttt+= efsoffttt+= e sempre onoffttf

Os atrasos introduzidos ao sinal pelo transistor são e forma resumida o seguinte:

Para trabalhar em chaveamento devemos optar por transistores que apresentem este tempos, toff e ton compatíveis com o período do sinal aplicado. Nas folhas de dados de transistores construídos para tal aplicação, encontram-se informações sobre esses tempos para algumas correntes de base e de coletor determinadas.

Funcionamento

VoVcc ch

Para assegurar que o transistor permaneça no corte, é necessário que a corrente de base seja nula; isto é conseguido despolarizando o diodo base-emissor ou até mesmo polarizando-o inversamente, observando o valor máximo VEBO [tensão entre emissor e base com o coletor aberto] presente nas especificações do transistor dadas pelo fabricante. Quando o transistor tiver que permanecer em saturação, a corrente de base deverá ser tal que o ponto de trabalho situe-se nesta região.Mesmo a região de saturação ocupando uma área bastante estreita que determina valores pequenos de VCE frente à tensão de alimentação VCC. Neste caso, admite diversos valores de IB, de forma que valores pequenos situariam o transistor na fronteira entre a

desejados em comutação

saturação e a região ativa, e em condições favoráveis o ponto de trabalho poderia deslocar até a região ativa e,portanto, os resultados obtidos seriam diferentes dos

Para garantir a permanência do transistor em saturação, deve-se aplicar suficiente corrente de base que mantenha a corrente de coletor de saturação:

βCBII=como C

c R VI= então βC

VI=FEh=β

Esta situação deve ser mantida em todas as condições de funcionamento. Como o βC ou hFE do transistor não é constante, podendo vaiar [entre valores máximo e mínimo]de transistor para transistor.

Por isto deve ser levado em consideração. No momento da substituição, teremos transistor com hFE diferente e até com a variação da temperatura temos valores diferente de hFE, por exemplo, a 25º C é menor que a 80º C.

fabricante assegura para todos os transistores da mesma série e tipo

Por isto no momento do projeto deve ser utilizado o hFE mínimo, que é o menor ganho que o

()minFEC

VI×=ou ()

B hR ()minFE satC

B h I=

Desta forma estaremos seguro que o transistor permaneça em saturação, mas se a comutação do transistor for provocada por um sinal de freqüência elevada, faz-se necessário reduzir ao mínimo os tempos de comutação.

O tempo de ligação pode ser reduzido fazendo () ()minFE satC

B h I〉〉.

saturação corte

Ganho de corrente em nível DC para a configuração emissor comum.

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O tempo de desligamento pode ser reduzido aplicando um potencial inverso à junção baseemissor, ficando o tempo de armazenamento consideravelmente reduzido.

As considerações anteriores podem ter um efeito nulo devido ai fato de serem interativas, e a razão é a seguinte: se o excesso de corrente de base mantém-se até o instante de desligamento, o número de cargas a serem desarmazenadas é muito maior e, portanto, ts é maior, por outro lado, se a polarização inversa encurta o tempo de desligamento e mantém-se até o momento da ligação, o tempo de atraso é aumentado. Desta forma, ambos os efeitos opõem-se.

As soluções apontadas são válidas se as condições que provocam maior rapidez nas comutações forem eliminadas antes da próxima comutação, mantendo posteriormente a polarização de base necessária para assegurar a condição de corte ou saturação. Sinais de entrada para reduzir os tempos de comutação.

A prática será restringida a medir os tempos de comutação e a assegurar as condições de corte e saturação quando estas sejam requeridas.

Quando o circuito de aplicação é ativado por contatos mecânicos [NF ou NA] os atrasos produzidos pelo transistor podem ser desprezados, já que a velocidade de comutação do transistor é muito maior quando comparada com a de qualquer contato mecânico.

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