Relatorio6 - TBJ operando como chave

Prévia do material em texto

1
Pra´tica 6: TBJ Operando como Chave
20159049702 - Mariana de Sousa Moura - Turma 01 - 2018.2
Resumo—Desenvolvimento e ana´lise de um circuito formado
por um transistor de configurac¸a˜o emissor-comum, funcionando
como chave e, portanto, operando nas regio˜es de corte e
saturac¸a˜o. Determinac¸a˜o dos valores dos resistores necessa´rios
para manter a corrente nos nı´veis adequados. Estudo das formas
de onda das tenso˜es sobre componentes do circuito.
I. OBJETIVOS
O objetivo principal desta pra´tica e´ projetar e analisar o
funcionamento de um TBJ como chave mediante simulac¸a˜o e
experimentac¸a˜o.
II. INTRODUC¸A˜O
Transistor e´ um dispositivo semicondutor formado por treˆs
camadas, podendo ser duas de material tipo n e uma tipo
p ou duas camadas tipo p e uma tipo n. Desse modo,
denomina-se cada junc¸a˜o por transistor npn e transistor pnp,
respectivamente. A Figura 1 mostra a notac¸a˜o e sı´mbolo para
os transitores npn e pnp. As letras maiu´sculas B, E e C
significam, respectivamente, base, emissor e coletor. A base
e´ responsa´vel pela ativac¸a˜o do transistor. Enquanto que o
emissor e´ o terminal negativo e o coletor, o terminal positivo.
A operac¸a˜o de ambos os tipos de junc¸a˜o sa˜o exatamente iguais.
Fig. 1: Notac¸a˜o e sı´mbolo do transistor: (a) tipo npn; (b) tipo pnp.
Transistor Bipolar de Junc¸a˜o (TBJ) e´ um tipo de transistor
controlado por corrente ele´trica, ou seja, e´ possı´vel controlar
o nı´vel de carga entre dois terminais, coletor e emissor,
aplicando-se corrente ele´trica na base.
As regio˜es de operac¸a˜o de um transistor sa˜o regia˜o ativa,
regia˜o de corte e saturac¸a˜o e regia˜o de ruptura. Na ativa, uma
junc¸a˜o p-n esta´ diretamente polarizada, enquanto outra esta´
inversamente polarizada. Nesta regia˜o, o tbj opera como ampli-
ficador de sinais. Na regia˜o de corte, ambas esta˜o polarizadas
reversamente, sendo a corrente na saı´da, nula. Na regia˜o de
saturac¸a˜o ambas as junc¸o˜es esta˜o polarizadas diretamente e,
neste caso, o tbj opera como chave. Por fim, ha´ uma tensa˜o
ma´xima aplicada ao transistor sem que este sofra danos, para
que este na˜o atinja a regia˜o de ruptura.
III. MATERIAIS E ME´TODOS
• Protoboard;
• Transitor npn BC548;
• Diodo led vermelho;
• Fonte CC, Vcc, de 12 V;
• Resistores de 680 Ω e 3,3 kΩ;
• Cabos de conexa˜o;
• Multı´metro;
• Oscilosco´pio;
• Gerador de Sinais.
IV. RESULTADOS TEO´RICOS
O circuito de um transistor tbj npn da Figura 2, polarizado
com configurac¸a˜o de emissor-comum, operando na regia˜o de
saturac¸a˜o, e´ formado por uma fonte de tensa˜o Vcc de 12 V
e outra Vbb, uma onda quadrada variando de 0 a 5 V, e dois
resistores a serem determinados.
Fig. 2: Transistor tbj operando na regia˜o de saturac¸a˜o.
O valor da tensa˜o Vbb e´ o sinal de uma onda quadrada que
varia de 0 a 5 V, com frequeˆncia de 0,5 Hz. Vcc e´ 12 V. A
queda de tensa˜o no led e´ 2 V, tendo uma corrente ma´xima
permitida 15 mA. As tenso˜es VECsat e VBE sa˜o 0,3 V e 0,7
V, respectivamente. A fator de saturac¸a˜o e´ 10. O ganho de
corrente β e´ 110.
Aplicando-se lei das tenso˜es a` malha da esquerda do circuito
2 e sabendo-se que a corrente ma´xima que pode circular pelo
coletor IC e´ 15 mA, corrente ma´xima do led, o valor do resisor
RC e´ dado por (4).
−VCC + ICRC + 2 + VCEsat = 0 (1)
−12 + 0, 015RC + 2 + 0, 3 = 0 (2)
RC =
9, 7
0, 015
(3)
RC = 647Ω (4)
2
Sendo o resistor comercial mais pro´ximo, 680 Ω.
A corrente da base IB pode ser deteminada pelo valor da
corrente do coletor IC e pelo valor do ganho de corrente
β, sendo dada por (7). Multiplica-se IB por um fator de
saturac¸a˜o igual a 10 para garantir que a condic¸a˜o de saturac¸a˜o
do transistor para todos os valores de β.
IBsat = 10 ·
ICsat
hfe
(5)
IBsat = 10 ·
0, 015
110
(6)
IBsat = 1, 36mA (7)
Aplicando a lei das tenso˜es a malha da direita do circuito
e substituindo-se o valor de IBsat , pode-se determinar o valor
da resisteˆncia RB em (11).
−VBB + IBsatRB + VBE = 0 (8)
RB =
VBB − VBE
IBsat
(9)
RC =
5 − 0, 7
0, 00136
(10)
RC = 3, 2kΩ (11)
O valor do resistor comercial mais pro´ximo e´ 3,3 kΩ.
O circuito da Figura 3 representa o circuito resultante com
alterac¸a˜o do valores das resisteˆncias.
Fig. 3: Circuito a ser desenvolvido em laborato´rio.
V. SIMULAC¸O˜ES
O circuito da Figura 3 foi simulado em software Multisim
de duas formas. Primeiro, variando o valor de Vbb de 0 a 5 V,
com incrementos de 0,5 V. Depois, aplicando-se em Vbb uma
onda quadrada variando de 0 a 5 V com frequeˆncia de 0,5 Hz
para analise das formas de onda.
Para a primeira forma de ana´lise, foram anotadas as
variac¸o˜es da corrente da base IB , da corrente do coletor IC , da
tensa˜o no resitor VRC e da tensa˜o VCE na Tabela I. A u´ltima
coluna, 0 significa LED desligado, 1, LED ligado.
Tabela I: Valores encontrados pela simulac¸a˜o ajustando-se Vbb.
Vbb IB (mA) IC (mA) VRC (V) VCE (V) LED
0 V -0,112×10−6 0,202×10−6 0,129×10−3 11,10 0
0,5 V 0,196×10−3 0,017 0,012 V 10,50 0
1,0 V 0,093 12,3 8,38 1,820 1
1,5 V 0,240 14,8 10,1 0,130 1
2,0 V 0,391 14,8 10,1 0,099 1
2,5 V 0,542 14,9 10,1 0,084 1
3,0 V 0,693 14,9 10,1 0,075 1
3,5 V 0,844 14,9 10,1 0,068 1
4,0 V 0,996 14,9 10,1 0,062 1
4,5 V 1,150 14,9 10,1 0,058 1
5,0 V 1,300 14,9 10,1 0,054 1
O transistor funcionara´ como uma chave operando em duas
regio˜es, corte (chave aberta) e saturac¸a˜o (chave fechada). O
transistor estara´ em corte quando a corrente do coletor IC
for zero e a tensa˜o VCE e´ igual a tensa˜o da fonte VC .
Pore´m, apesar de muito pequena, a corrente IC na˜o e´ zero
e ha´ uma pequena queda de tensa˜o no resistor de 0,129 mV
(desconsiderada) e no led de 0,9 V, sendo VCE igual a 11,1
V. O transistor estara´ saturado quando corrente na base for a
ma´xima, ou seja, 15mA, corrente ma´xima suportada pelo LED,
e VCE igual a zero. Todavia, apesar de pequeno, o valor de
VCE na˜o e´ zero, sendo 54 mV. Percebe-se, portanto, que o
transistor na˜o e´ uma chave perfeita.
Conectando-se a Vbb, agora, o sinal de onda quadrada de
0,5 Hz, dada pela Figura 4, a forma de onda da tensa˜o no
resistor VRC e´ dada pela Figura 5.
Fig. 4: Forma de onda da tensa˜o Vbb.
Fig. 5: Forma de onda da tensa˜o VRC .
A forma de onda da tensa˜o entre os terminais Coletor-
Emissor VCE e´ apresentado pela Figura 6. Como esperado,
a tensa˜o VCE e´ pro´xima de zero no intervalo em que Vbb tem
valor ma´ximo.
3
Fig. 6: Forma de onda da tensa˜o VCE .
VI. RESULTADOS EXPERIMENTAIS
O circuito da Figura 3 sera´ desenvolvido em laborato´rio
das duas formas ja´ mencionadas: por meio de uma fonte CC
em Vbb variando de 0 a 5 V, com incrementos de 0,5 V; e
utilizando-se o gerador de sinais para implementar uma onda
quadrada com frequeˆncia de 10 kHz em Vbb com variac¸a˜o de
0 a 5 V para gerac¸a˜o das formas de onda no oscilosco´pio.
Com a aplicac¸a˜o da fonte CC em Vbb, os dados relaconados
a`s variac¸o˜es da corrente da base IB , da corrente do coletor IC ,
da tensa˜o no resitor VRC e da tensa˜o VCE sera˜o anotados na
Tabela II.
Tabela II: Valores encontrados experimentamente ajustando-se Vbb.
Vbb IB IC VRC VCE LED
0 V
0,5 V
1,0 V
1,5 V
2,0 V
2,5 V
3,0 V
3,5 V
4,0 V
4,5 V
5,0 V
Agora, conectando o gerador de sinais a Vbb, a forma de
onda de Vbb, VCE e VRC sera˜o ilustradas na Figuras 7, 8 e 9,
respectivamente.
Fig. 7: Forma de onda da tensa˜o Vbb experimental.
Fig. 8: Forma de onda da tensa˜o VRC experimental.
Fig. 9: Forma de onda da tensa˜o VCE experimental.
VII. QUESTO˜ES
1- Trac¸ar as formas de onda de tensa˜o experimental
para o TBJ: Vbb, Vce e VRC.
As formas de onda das tenso˜es Vbb, VRC e VCE obtidas
experimentalmente esta˜o representadas pela Figura 7, 8 e 9.
2- Comente detalhadamente a respeito das
curvas trac¸adas em (1) tomando como refereˆncia o
comportamento do circuito e a curva caracterı´stica docircuito de saı´da.
3- Pesquise aplicac¸o˜es que fazem uso do TBJ
funcionando como chave.
O tbj operando como chave pode ser usado para implementar
as portas lo´gicas AND e OR, ale´m de ser usado para circuitos
chaveadores em multiplexadores, para controlar os estados
ligado e desligado de uma laˆmpada, entre outros.
4- Pesquisar a respeito das principais especificac¸o˜es do
TBJ encontradas na folha de dados dos fabricantes de
modo que o componente trabalhe como chave.
Para funcionar como chave o transistor deve operar na
regia˜o de saturac¸a˜o e na regia˜o de corte. De acordo com as
4
especificac¸o˜es do TBJ, a tensa˜o de saturac¸a˜o entre os terminais
Coletor-Emissor VCEsat = 0,25 V para as correntes IC = 10
mA e IB = 0,5 mA e VCEsat = 0,60 V para IC = 100 mA
e IB = 5,0 mA. Para regia˜o de corte, a corrente do coletor
ICBO = 15 nA, com VCB = 30 V e IE = 0. O mı´nimo valor
do ganho de corrente β e´ 110.
VIII. DISCUSSO˜ES E CONCLUSA˜O
REFEREˆNCIAS
[1] BOYLESTAD, Robert L.; NASHELSKY, Louis. Dispositivos Eletroˆnicos
e Teoria dos Circuitos; Sa˜o Paulo: Pearson Education do Brasil, 2013.