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1 INTRODUÇÃO
O principio do transístor é poder controlar a corrente. Ele é montado numa estrutura de cristais semicondutores, de modo a formar duas camadas de cristais do mesmo tipo intercaladas por uma camada de cristal do tipo oposto, que controla a passagem de corrente entre as outras duas. Cada uma dessas camadas recebe um nome em relação à sua função na operação do transístor, As extremidades são chamadas de emissor e colector, e a camada central é chamada de base. (Boylestad, 2004) As correntes de deriva devidas aos portadores minoritários gerados termicamente são pequenas e desprezadas na análise. A polarização direta da junção emissor-base fará com que uma corrente circule pela junção composta de 2 componentes: elétrons injetados no emissor e lacunas injetadas na base. A componente de elétrons é muito maior que a de lacunas, isto é obtido usando-se um emissor fortemente dopado e uma base levemente dopada e bem estreita. O fato da base ser muito estreita faz com que os elétrons injetados na base se difundam (corrente de difusão) em direção ao coletor. No caminho, alguns elétrons que estão se difundindo através da região da base se recombinam com as lacunas (portadores majoritários na base), mas como ela é muito estreita e fracamente dopada, a porcentagem de elétrons perdidos por recombinação é muito pequena. A maioria dos elétrons que se difundem alcançará a região de depleção coletor base. Pelo fato do coletor ser mais positivo que a base, esses elétrons serão arremessados através da região de depleção para o coletor, constituindo a corrente de coletor
Observe que o valor de iC independe de VCB. A corrente de saturação IS é inversamente proporcional à largura da base e diretamente proporcional à área de JEB, dobrando a cada 5º C de aumento de temperatura. (Sedra,2000). A corrente de base pode ser representada por uma parcela de iC tal que
A constante b, denominada ganho de corrente de emissor comum , é um dos parâmetros característicos de um transistor. Para transistores modernos, b fica na faixa de 100 a 200, podendo chegar a 1000 em dispositivos especiais. (Sedra, 2000).
É a soma da corrente de coletor com a corrente de base.
Define-se
onde
Observe que se β=100, então α=0,99. Onde α é chamado de ganho de corrente em base comum. (Sedra, 2000).
O diodo zener é um tipo especial de diodo que permite que a corrente flua no sentido normal de condução como qualquer diodo, mas também permite que a corrente flua no sentido contrário desde que a tensão aplicada seja maior do que a tenção de ruptura zener. A apresentação do diodo zener é a mesma do diodo convencional, onde o terminal do catodo possui uma faixa de identificação,como pode ser observado na figura abaixo. Este dispositivo é apresentado normalmente em encapsulamento de vidro e possui dimensões bastante pequenas em relação ao diodo convencional.
Figura 1.1 – representação do diodo zener O diodo zener exibe praticamente a mesma propriedade, exceto que o dispositivo é desenhado de forma a possuir uma tensão de ruptura bem baixa, esta tensão é chamada de tensão zener. O diodo zener é construído de forma a ter uma junção “PN” altamente dopada de forma que a tensão de avalanche seja controlada, com isto a tensão reversa fica restrita a valor bem definido. Por exemplo, o diodo zener com tensão zener de 3,2V quando inversamente polarizado apresenta uma queda de tensão de 3,2V entre os seus terminais, no entanto a corrente não é ilimitada mas determinada pela potência do diodo e deve ser controlada pelo circuito externo,normalmente um resistor.
Potenciômetros são resistores com uma derivação central. Assim, a resistência entre seus dois terminais extremos é fixa em seu valor nominal (10 kΩ - por exemplo). Já o valor de resistência entre uma das extremidades e a derivação central dependerá do posicionamento docursor. Cria-se, então, uma estrutura que pode ser compreendida como dois resistores em série, conforme mostra a figura 2.
A Figura 1.4 mostra um circuito ajustável onde a tensão de referência é dada por um zener e a tensão de saída é dada por um divisor de tensão com potenciômetro. Este circuito é mais preciso que o circuito do parágrafo anterior o zener estabelece uma maior precisão, pois a tensão de saída não depende da tensão de entrada V1, que pode variar com a variação da tensão da rede. A dificuldade deste circuito consiste em que o transistor Q 1 deve ser de alto ganho, pois as correntes sobre o divisor de tensão são menores. Como nos circuito anteriores a corrente na carga é fornecida pelo transistor.
Figura 1.4 - Circuito série ajustável com zener e potenciômetro. `
O resistor R2 é a resistência interna do potenciômetro e o somatório R1+R2 é o valor total da resistência do potenciômetro.
2 OBJETIVO
Projetar e construir um regulador de tensão em série que contenha um transistor bipolar de junção, que deverá ter uma tensão de saída regulável entre 0 e 10 [V], com uma corrente
máxima de 1 [A]. Comparar os valores de medidas (tensões de saída e tensões de entrada,) do projeto prático a partir do osciloscópio com os obtidos através da simulação em software (Proteus).
3 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO
3.1 PROTOTIPAGEM
Após o dimensionamento dos componentes citados, foi necessário a montagem da figura abaixo no protoboard para testar a fonte regulável. Aplica-se uma tensão de 12 volts no circuito, então com o auxílio do osciloscópio e multímetro, foi possível observar que a tensão de saída varia de 0 a10 volts, como era o desejado.
Figura 2.1 – Montagem do circuito no protoboard 3.2 FUNCIONAMENTO DA PLACA DE CIRCUITO IMPRESSO A figura abaixo mostra o circuito ajustável onde a tensão de referência é dada pelo diodo zener, que é mais preciso, pois sua tensão de saída não depende da tensão de entrada, e a tensão de saída é dada por um divisor de tensão com potenciômetro.
I C(MAX) = I E(MAX) - I B(MAX)
I E(MAX) = I L(MAX) I C(MAX) = I L(MAX) - I B(MAX)
I B(MAX) =I C(MAX) / β (MIN)
Logo: I C(MAX) = I L(MAX) - I C(MAX) / β (MIN)
I C(MAX ) = IL(MAX) / ( 1 + 1/ β (MIN) ) = 1 / (1 + 1/40) = 0,9756 [A]
PC(MAX) = (V IN(MAX) - V L). I C(MAX)
PC(MAX) = (13,2V - 10V). 0,9756A = 3,12W
Quanto a dissipação de potência o transistor escolhido atenderá as necessidades do projeto por estar abaixo da potência máxima especificada pelo fabricante, porém, será necessário o uso de um dissipador adequado para evitar sobreaquecimento do transistor.
4.3 DIMENSIONAMENTO DO DIODO ZENER
Figura 4.1 – Fonte regulável
Através da análise de malha temos:
VR2 – VBE – VL = 0
Considerando a característica do transistor, V BE é aproximadamente igual 0,7 [V]. Sendo assim:
VL = VR2 - 0,
Como o potênciometro está em paralelo com o diodo zenner a tensão será a mesma em ambos. Substituindo VR2 por Vz tem-se:
VLMAX = Vz – 0,
VLMAX = 10 [V]
Logo:
Vz = 10,7 [V]
O valor comercial mais próximo encontrado foi o diodo zenner de 11 [V].
4.4 DIMENSIONAMENTO DO POTÊNCIOMETRO
VR2 – VBE – VL = 0
(I R2 x R 2) – 0,7 – 10 = 0
R 2 = 10,7 / IR
A corrente IR2 é a mesma corrente que circula na base do transistor, ou seja, I R2 = I B.
I B = β/((β + 1) x β)x I E
Considerando βMIN = 40 e IE = 1[A].
I BMAX = 0,02439 [A]
Resistor 22 Ω 1 R$ 0,15 R$ 0, Transistor BD135 1 R$ 1,02 R$ 1, Custo total: R$ 9,
Tabela 2 - Materiais adicionais Materiais Quantidade Valor Unitário Total Dissipadores de calor 1 - - Caixa plástica 1 R$ 10,00 R$ 10, Conectores(BORNES) 04 R$ 2,13 R$ 8, Botão de ajuste 01 R$ 0,84 R$ 0, Placa de fenolite 01 R$ 1,90 R$ 1, Custo total R$ 21,
Custo total do projeto: R$ 30,
6 CONFECÇÃO DA PLACA
Utilizando o software Proteus, através ferramenta Isis, foi gerado o circuito impresso, e este, foi transferido para a placa acobreada para circuito impresso, com o auxílio de papel couché. Após a fixação da tinta com o auxílio do ferro de passar, a placa foi colocada em uma solução de hipercloreto de ferro para que fosse corroída. Em seguida, a placa foi perfurada nos devidos pontos para que fossem soldados os terminais dos componentes conforme a figura 7. Depois de soldados , os bornes, o botão de ajuste, o potenciômetro e a placa foram devidamente instalados na caixa. A seguir, os esquemas da confecção da placa de circuito impresso.
Figura 6.1 - Esquema elétrico elaborado no ISIS do software Proteus
Figura 6.3 – Esquema obtido através do ARES do software Proteus.
Figura 7.3 – Imagem obtida pelo osciloscópio Através da figura acima é possível notar a eficiência do circuito para converter uma tensão de entrada num valor desejado de saída.
8. CONCLUSÃO
Com base nos dados obtidos em simulações no Proteus e comparando-os com os coletados nas medições realizadas com o osciloscópio e com o multímetro, pode-se analisar as variações nas medidas. Essas variações ocorrem devido às imperfeições existentes na rede e em cada componente do circuito. No software de simulação os cálculos são feitos considerando as características como se fossem ideais, em contrapartida, o osciloscópio fornece dados reais devido aos fatores que influenciam o circuito, como temperatura, por exemplo, que altera as condições de funcionamento dos componentes eletrônicos.
REFERÊNCIAS
BOYLESTAD, Robert L; NASHELSKY, Louis. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos, 7 o^ Edição. São Paulo, SP. Prentice-Hall, 2004.
SEDRA, Adel S.;SMITH, Kenneth, C. Microeletrônica, 4 o^ edição. São Paulo, SP. Pearson Makron, 2000. Darasheet catalog. Disponível em: < http://www.datasheetcatalog.com/>. Acesso em: 20 out.
