Introdução à Eletrônica - elt 11 comuta??o com transistor bipolar, Notas de estudo de Física
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Introdução à Eletrônica - elt 11 comuta??o com transistor bipolar, Notas de estudo de Física

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Introdução aos estudos de eletrônica com aplicações práticas e teóricas.
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E-mail: eliesio O etrr.com.br & ESCOLA TÉCNICA + REZENDE-RAMMEL CURSO TÉCNICO DE MECATRÔNICA ELETRÔNICA APLICADA I NOME TURMA ANO COMUTAÇÃO COM TRANSISTOR BIPOLAR 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. CHAVEAMENTO COM TRANSISTOR BIBOLAR TEORIA BÁSICA Dependendo da polarização aplicada à base, um transistor bipolar pode operar em três regiões com características bem definidas: a] Região de corte> onde teremos uma corrente de coletor muito baixa, podendo praticamente ser considerada como zero e em consegiiência uma tensão entre coletor muito elevada, na prática podendo ser considerada igual ao VCC aplicado no circuito. IC=0 e VCE=VCC b] Região de saturação Onde 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. IC = ICmáximo e VCE=0 c] Região de ativa na região ativa teremos o transistor com corrente de coletor dependendo da corrente injetada na base [IC=BIB]. Se não forem atingidos os pontos de saturação e corte teremos na saída tensão e corrente com variação linear. IC e VCE dependem de IB 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. ELIÉSIO 1 E-mail: eliesio O etrr.com.br 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 IB., opera na região ativa, com uma corrente de coletor dependendo de Blganho de corrente na configuração emissor comum] onde IC=PIB. Se a corrente de base for maior que IBa, O transistor irá funcionar na região de saturação. Neste caso teremos fluindo pelo coletor uma corrente que será limitada pela polarização do transistor. 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 VCEj determinado pela corrente injetada na base que é definida pela polarização de base. 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. Transistor no corte> chave aberta Transistor na saturação > chave fechada E T Cc CE T Cc E s C 0 B B B 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 ELIÉSIO 2 E-mail: eliesio O etrr.com.br 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. ANÁLISE DA RETA DE CARGA RC saturação 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 Quando ch está fechado, supondo que VB proporcione uma corrente de base suficiente UBoauração), O transistor ficará saturado; então IC=VCC/RC e VCE= VCE sanuração- Se não houver uma variação dos componentes do circuito e só 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 VCE nenhum componente adicional, já que o circuito não necessita de estabilização, o único requisito é que não se ultrapassem as especificações máximas. É importante observar que este tipo de circuito não requer nenhum componente adicional, pois não nece: ta 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. POLARIZAÇÃO Equação da malha de saída 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. [Ppc=VCE x IC] Pois teremos sempre IC=0 ou VCE=0. Este circuito será utilizado para definirmos as equações de polarização do transistor. +Voc Vac Va =0>Vec=VectVer como Va =I RC teremosVic=1I RC+Vor ELIÉSIO E-mail: eliesio O etrr.com.br Equação da malha de entrada +Vec— Vas —Vop =0>Voc =VastVop como Vo =1I,RB teremosV =1,RB+Vyp Sendo 1, = L Usando Binínimo [hremínimo] estaremos garantindo a min saturação do transistor O muito! Quando o circuito provoca comutação não apenas por um sinal ou dispositivo que simule o RC=Ik0//2W chaveamento, mas por contato elétrico que podem RE RC RB=15k0//W estar normalmente abertos [NA] ou normalmente Q=BC548 fechados [NF]. Neste caso deve-se prover o 1 VCC=12V transistor de um circuito de polarização de base o com possibilidade de ser ativado por estes contatos. No circuito 1 teremos Q normalmente no corte ficando saturado quando S for acionada. vec = No circuito 2 teremos Q saturado ficando no corte O Circuito? quando S for acionada. Poderemos montar os circuitos com chave de contatos normalmente fechados, caso a necessidade seja o inverso. Supõe-se que vin forneça corrente suficiente para saturar o vec transistor [Q], e que VCC=12V / IC=10mA / Bçyi=50 / VBEsat=IV Q=BC548/ vin=5Vp, teremos: Rc Rc = YCC-VCE 12V-0V À 12V =12O vin vout IC 5SmA 10mA 4 GREÉ o Pre = PRC = (10mA)? x 1,2k0 = 0,12W = 120mW ELI RC=12kO/LW in— VBE, 1 1 RC = Po tEEsa 1B,, = 1€ - 10md goma — E — Ba Bau 50 vin r c= VW 4v = 2040 > 0,2mA - 0,2mA Pag = IB, X RB = (0,2mA)? x 20k2 = 0,0008W a RB = 20k0/4W > ELIÉSIO E-mail: eliesio Oetrr.com.br Circuito de saída A saída do circuito pode ser usada em duas situações distintas: e 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. É importante conhecer as características da carga para escolher o transistor adequado e projetar o circuito associado ao transistor. e 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. TEMPOS DE COMUTAÇÃO 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. Tempos de transição curtos frente ao período. Tempo de transição longos frente ao período Iusilus ip sus ip 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 us. Se a fregiiência é de 1kHz, teremos um período de Ims. Como o ciclo compreende duas transições, a duração delas será de 2 us, 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 4s, e fregiiência de 250kHz cujo período representa 4 us. 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 Tempo de subida [t;]> Tempo de subida quadrada Tempo transcorrido dede a variação do sinal entre 10% e 90% do valor máximo, tomando zero como valor mínimo.[t- time rate-tempo da inclinação] Tempo de descida [tr] Tempo de queda Tempo transcorrido desde a variação do sinal entre 90% e 10% do sinal máximo, tomando o zero como nível inferior. ELIÉSIO 5 E-mail: eliesio Oetrr.com.br vcc vin vout ml 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 frequência 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] > o tempo de ligação é dividido em dois períodos distintos: 1] Tempo de atraso [ta] > 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 emissor- base 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. Terceiro, é o tempo necessário para que a corrente de coletor alcance 10% de seu valor máximo. CcB CEB 2] Tempo e subida[t,]5 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 [IC]. Tempo de desligamento [tor] > é maior que o tempo de ligação e também se divide em dois períodos. 1] Tempo de armazenamento [t3] > 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 [tr] é devido ao tempo necessário para que a corrente de coletor varie de 90% para 10% do seu valor máximo [ICsa] ELIÉSIO 6 E-mail: eliesio Oetrr.com.br Os atrasos introduzidos ao sinal pelo transistor são e forma resumida o seguinte: =t+t, € Ly =i+t, esempre ty >1 tm on Para trabalhar em chaveamento devemos optar por transistores que apresentem este tempos, torr € 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 Vec Para assegurar que o transistor permaneça no corte, é necessário que a corrente de base seja nula; isto é 1 cn E o conseguido despolarizando o diodo base-emissor ou até RB mesmo polarizando-o inversamente, observando o valor T máximo Vepo [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 Vcs frente à tensão de alimentação Vcc. Neste caso, admite diversos valores de Ip, de forma que valores pequenos situariam o transistor na fronteira entre a 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 desejados em comutação. corte Para garantir a permanência do transistor em saturação, deve-se aplicar suficiente corrente de base que mantenha a corrente de coletor de saturação: v Ganho de corrente em nível DC para a então 1, =— B= configuração emissor comum. 1 1,="€ como I.= B Vec c c Esta situação deve ser mantida em todas as condições de funcionamento. Como o Bec ou hrr do transistor não é constante, podendo vaiar [entre valores máximo e mínimolde transistor para transistor. Por isto deve ser levado em consideração. No momento da substituição, teremos transistor com hrz diferente e até com a variação da temperatura temos valores diferente de hrr, por exemplo, a 25º C é menor que a 80º C. Por isto no momento do projeto deve ser utilizado o hrs mínimo, que é o menor ganho que o fabricante assegura para todos os — transistores da mesma série e tipo. 1, Vec ou 1, - Toa) Rex A re(uin) A re(uin) Desta forma estaremos seguro que o transistor permaneça em saturação, mas se a comutação do transistor for provocada por um sinal de fregiiência elevada, faz-se necessário reduzir ao mínimo os tempos de comutação. O tempo de ligação pode ser reduzido fazendo npc FE(min) ELIÉSIO 7 E-mail: eliesio Oetrr.com.br O tempo de desligamento pode ser reduzido aplicando um potencial inverso à junção base- emissor, 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 opôem-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. 4 > 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. Vec Para assegurar a condição de corte no circuito, basta fazer Ip = 0. A condição de saturação deve ser atingida com a corrente de base E ch Be yo controlada por Re. Logo o valor de Rg deverá ser fixado para que o valor RB de Ipjsa Seja alcançado. T Uma vez conhecida a corrente de coletor [Icsay] que é determinada por Re, defini-se o valor de Tg(say usando um hre de 20 que garante para a maioria dos transistores um valor menor que O hrgqmin)- 1 1 = Ca) Desta forma é assegurada a saturação para a maioria dos transistores. su) = 50 Vcc— Valsa) am . x e R,= o » Vee(sa)>0,7V Para a maioria dos transistores Vgr= 1V garante a saturação. Blsar) A potência dissipada pelo transistor trabalhando em comutação será mínima, já que na saturação VCE é muito pequeno, praticamente zero [VCE=0] e no corte IC é muito pequeno, praticamente zero [[C=0] e a potencia de dissipação do transistor é definida por Ppc= Vce x Ic. A dissipação de potência faz-se maior quando a frequência do sinal de comutação aumenta, já que o transistor dissipa mais potência quando trabalha na região ativa e, ao aumentar a fregiiência, o número de vezes que o transistor atravessa a região ativa é maior. ELIÉSIO 8 E-mail: eliesio Getrr.com.br AUTO-AVALIAÇÃO 5COMUTAÇÃO COM TRANSISTOR BIPOLAR NOME TURMA ANO 01] Para que serve uma comutação com transistor bipolar? 02] O que é região de corte? Qual o valor da corrente de coletor com o transistor no corte? Qual o valor da tensão entre coletor e emissor com o transistor no corte? 03] O que é região de saturação? Qual o valor da corrente de coletor com o transistor na saturação? Qual o valor da tensão entre coletor e emissor com o transistor na saturação? 04] O que é região ativa? Qual o valor da corrente de coletor com o transistor na região ativa? Qual o valor da tensão entre coletor e emissor com o transistor na região ativa? 05] Quando o transistor trabalhar no corte e saturação, ele poderá trabalhar em » pois funcionará como uma 06] Quando o transistor trabalhar na região ativa, com uma determinada poderá funcionar como um 07] Explique, utilizando um gráfico, as três regiões de funcionamento de um transistor bipolar. ELIÉSIO 9 E-mail: eliesio Detrr.com.br 08]] Faça a reta de carga de um transistor bipolar definindo suas três regiões. 09] Explique como um transistor bipolar pode funcionar como chave. 10] Utilizando o circuito abaixo monte uma reta de carga marcando o ponte de IC máximo e VCE mínimo. 11] O que é tempo de comutação de um transistor bipolar? 12] O que é tempo de subida no funcionamento de um transistor bipolar? 13] O que é tempo de descida no funcionamento de um transistor bipolar? 14] O que é tempo de ligação no funcionamento de um transistor bipolar? 15] O que é tempo de atraso no funcionamento de um transistor bipolar? 16] Por que podemos comparar um transistor, trabalhando em comutação, com um interruptor? 17] Enumere as causas que influem no tempo que um transistor demora para passar da saturação para o corte. 18] Por que devemos fazer IB > IC; / hre min quando queremos saturar o transistor? ELIÉSIO 10 E-mail: eliesio Oetrr.com.br 19] Modifique a posição do LED no circuito vec apresentado para que ele acenda e apague com as posições da chave invertida. 20] Sabendo que no circuito abaixo todos os resistores de base estão dimensionados para a saturação dos transistores, preencha o quadro, indicando a situação do LED [aceso ou apagado] em função da posição da chaves Sl e S2. SI ]S2 [LED e [| re Rc pcs 1 | L D1 RB3 vcc — o2 o3 oa os 1 1 1 2 2 1 2 2 21] Calcule o valor de RC e RB para que o circuito sature o transistor na transição de vin de OV para 5 V. Dados de Q i RC VBE =0,7 V Dados do E Bsu =20 a ? º — o = vc VCEÊEw=03V projeto 0 1 2 tremer E 22] Se for aplicado um sinal com os tempos de subida e descida iguais a 10% do período, no circuito utilizado na experiência 4. Indicar qual a fregiência máxima de trabalho. Utilizar os dados obtidos na experiência. 23] Deseja-se projetar um inversor, cujo sinal de saída apresente a mesma amplitude do sinal de entrada, ou seja, 5 Vpp. Pretendemos com isto, alimentar uma resistência de carga de 47002 e um chaveamento utilizando BC 548 B. Determinar o valor dos componentes para o funcionamento do circuito, e o valor da fonte de alimentação necessária. 24] Projetar um circuito que alimente uma lâmpada e | W / 12 V toda vez que se abrir um contato que normalmente permanece fechado. Utilizar um transistor BC 548 B. ELIÉSIO 11
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