Baixe apostila transistor e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity! TRANSISTOR DE JUNÇÃO BIPOLAR - I Prof. Edgar Zuim O transistor de junção bipolar é um dispositivo semicondutor de três terminais, formado por três camadas consistindo de: duas camadas de material tipo "n" e uma de tipo "p" ou de duas de material tipo "p" e uma de tipo "n". O primeiro é chamado de transistor npn enquanto que o segundo é chamado de transistor pnp. Através de uma polarização de tensão adequada consegue-se estabelecer um fluxo de corrente, permitindo que o transistor seja utilizado em inúmeras aplicações como: chaves comutadoras eletrônicas, amplificadores de tensão e de potência, osciladores, etc. O termo bipolar refere-se ao fato dos portadores lacunas e elétrons participarem do processo do fluxo de corrente. Se for utilizado apenas um portador, elétron ou lacuna, o transistor é denominado unipolar (FET). ESTRUTURA BÁSICA: As figuras abaixo ilustram a estrutura básica de um transistor, representando um circuito T equivalente com diodos, ligados de tal forma a permitir a identificação da polarização das junções, as quais são: base-emissor e base-coletor (B-E e B-C respectivamente). Observa-se que no transistor pnp a junção dos dois catodos do diodo forma a base, que é negativa, sendo o emissor e o coletor positivos, enquanto que no transistor npn a junção dos dois anodos forma a base que é positiva, sendo o emissor e o coletor negativos. A simbologia utilizada para os transistores de junção é mostrada logo abaixo dos circuitos equivalentes "T" com diodos. POLARIZAÇÃO: Para que um transistor funcione é necessário polarizar corretamente as suas junções, da seguinte forma: 1 - Junção base-emissor: deve ser polarizada diretamente 2 - Junção base-coletor: deve ser polarizada reversamente Esse tipo de polarização deve ser utilizado para qualquer transistor de junção bipolar, seja ele npn ou pnp. As figuras abaixo ilustram exemplos de polarização para os dois tipos de transistores: Observe atentamente nas figuras acima a polaridade das baterias. OPERAÇÃO BÁSICA: 1 - Junção diretamente polarizada: A figura abaixo mostra o desenho de um transistor pnp com a polarização direta entre base e coletor. Para estudar o comportamento da junção diretamente polarizada, foi retirada a bateria de polarização reversa entre base e coletor. 1 ETE ALBERT EINSTEIN - Transistor de junção bipolar I - Prof. Edgar Zuim Observa-se então uma semelhança entre a polarização direta de um diodo com a polarização direta entre base e emissor, onde aparece uma região de depleção estreita. Neste caso haverá um fluxo relativamente intenso de portadores majoritários do material p para o material n. 2 - Junção reversamente polarizada: Passemos a analisar o comportamento da junção reversamente polarizada, conforme mostra a figura abaixo. Neste caso, foi removida a bateria de polarização direta entre emissor e base. Observa-se agora, em virtude da polarização reversa um aumento da região de depleção semelhante ao que acontece com os diodos de junção, isto é ocorre um fluxo de portadores minoritários (corrente de fuga nos diodos), fluxo este que depende também da temperatura. Podemos então dizer que uma junção p-n deve ser diretamente polarizada (base-emissor) enquanto que a outra junção p-n deve ser reversamente polarizada (base-coletor). FLUXO DE CORRENTE: Quando um transistor é polarizado corretamente, haverá um fluxo de corrente, através das junções e que se difundirá pelas camadas formadas pelos cristais p ou n. Essas camadas não tem a mesma espessura e dopagem, de tal forma que: 1. A base é a camada mais fina e menos dopada; 2. O emissor é a camada mais dopada; 3. O coletor é uma camada mais dopada do que a base e menos dopada do que o emissor. Uma pequena parte dos portadores majoritários ficam retidos na base. Como a base é uma película muito fina, a maioria atravessa a base a se difunde para o coletor. A corrente que fica retida na base recebe o nome de corrente de base (IB), sendo da ordem de microampères. As correntes de coletor e emissor são bem maiores, ou seja da ordem de miliampères, isto para transistores de baixa potência, podendo alcançar alguns ampères em transistores de potência. Da mesma forma, para transistores de potência, a corrente de base é significativamente maior. Podemos então dizer que o emissor (E) é o responsável pela emissão dos portadores majoritários; a base (B) controla esses portadores enquanto que o coletor (C) recebe os portadores majoritários provenientes do emissor. A exemplo dos diodos reversamente polarizados, ocorre uma pequena corrente de fuga, praticamente desprezível, formada por portadores minoritários. Os portadores minoritários são gerados no material tipo n (base), denominados também de corrente de fuga e são difundidos com relativa facilidade até ao material do tipo p (coletor), formando assim uma corrente minoritária de lacunas. Lembre-se de que os portadores minoritários em um cristal do tipo n são as lacunas. Desta forma a corrente de coletor (IC), formada pelos portadores majoritários provenientes do emissor soma-se aos portadores minoritários (ICO) ou (ICBO). Aplicando-se a lei de Kirchhoff para corrente (LKT), obtemos: IE = IC + IB, onde: 2 ETE ALBERT EINSTEIN - Transistor de junção bipolar I - Prof. Edgar Zuim Podemos então estabelecer uma relação entre F 06 1 e F 0 6 2 .4 Temos então: F 0 6 2 = e F 0 6 1 = F 0 6 2 assume valores muito mais elevados em relação a F 0 6 1 (o valor típico de F 0 6 2 é da ordem de 30 a 300). Então, quanto maior for o valor de F 06 2 , mais o valor de F 0 6 1 tende a aproximar-se de 1. Assim, levando-se em conta que IC = F 06 1IE, para um valor de F 0 6 2 F 0 B 3 100, podemos considerar para fins práticos: IC = IE CONFIGURAÇÕES BÁSICAS: Os transistores podem ser ligados em três configurações básicas: base comum (BC), emissor comum (EC) e coletor comum (CC). Essas denominações relacionam- se aos pontos onde o sinal é injetado e retirado, ou ainda, qual dos terminais do transistor é referência para a entrada e saída de sinal. • BASE COMUM: No circuito a seguir, observa-se que o sinal é injetado entre emissor e base e retirado entre coletor e base. Desta forma, pode-se dizer que a base é o terminal comum para a entrada e saída do sinal. O capacitor "C" ligado da base a terra assegura que a base seja efetivamente aterrada para sinais alternados. • EMISSOR COMUM: No circuito emissor comum, o sinal é aplicado entre base e emissor e retirado entre coletor e emissor. O capacitor no emissor "CE" assegura o aterramento do emissor para sinais alternados. CA é um capacitor de acoplamento de sinal. • COLETOR COMUM: A figura a seguir mostra um circuito na configuração coletor comum. A configuração coletor comum também é conhecida como seguidor de emissor. Essa denominação é dada devido a tendência de todo o sinal aplicado na entrada estar praticamente presente na saída (circuito de emissor). O sinal de entrada é aplicado entre base e coletor e retirado do circuito de emissor. O capacitor "CC" ligado do coletor a terra assegura que o coletor esteja aterrado para sinais alternados. CA é um capacitor de acoplamento de sinal. 5 ETE ALBERT EINSTEIN - Transistor de junção bipolar I - Prof. Edgar Zuim 4 F 0 6 1 F 0 6 2 Alguns autores utilizam a notação CC e CC • • • • • • • • As configurações emissor comum, base comum e coletor comum, são também denominadas emissor a terra, base a terra e coletor a terra. Essas configurações também podem ser apresentadas conforme ilustram as figuras abaixo: REPRESENTAÇÃO DE TENSÕES E CORRENTES: Para representar tensões e correntes em um circuito com transistores, utiliza- se usualmente o método convencional (do + para o -), através de setas. Para as tensões, a ponta da seta aponta sempre para o potencial mais positivo e as correntes são representadas com setas em sentido contrário as das tensões. Podemos por exemplo representar uma tensão entre coletor e emissor por VCE quando o transistor for npn. Isto significa que o coletor é mais positivo do que o emissor. Em outras palavras, a primeira letra após o V (neste caso o coletor) é mais positiva do que a segunda letra (neste caso o emissor). Para um transistor pnp a tensão entre coletor e emissor é representada por VEC, indicando que o emissor é mais positivo do que o coletor. A figura abaixo ilustra dois transistores com polaridades opostas, utilizando essa representação. Na figura abaixo temos um outro exemplo utilizando essas representações; observe que as setas que indicam o sentido da corrente são opostas aquelas que indicam as tensões. Para as tensões VRC (tensão no resistor de coletor) e VRE ( tensão no resistor de emissor), a ponta da seta indica que a tensão na parte superior desses resistores é mais positiva do que na parte inferior. POLARIZAÇÃO COM UMA ÚNICA BATERIA: Temos visto até agora a polarização de transistores utilizando duas baterias, sendo uma para polarização da junção base-emissor e outra para a junção base- coletor. Na maioria das vezes, uma única bateria pode polarizar um circuito transistorizado, visto que o mesmo comporta-se como um circuito fechado. As tensões nas junções do transistor e nos componentes externos, como resistores, capacitores, indutores, etc. podem ser calculadas utilizando-se as leis de Kirchhoff para tensão (LKT). Da mesma forma, as correntes podem ser calculadas aplicando-se LKC. A figura a seguir mostra um transistor com polarização por divisor de tensão na base, cuja teoria será vista no capítulo referente aos circuitos de polarização. Observe atentamente as indicações das tensões e das correntes em função do sentido das setas. Aplicando- se LKT, podemos obter várias equações: 1. VCC - VRC - VCE - VRE = 0 2. VCE -VBE - VCB = 0 3. VCC - VRB1 - VRB2 = 0 6 ETE ALBERT EINSTEIN - Transistor de junção bipolar I - Prof. Edgar Zuim 4. VRB1 - VRC - VCB = 0 5. VRB2 - VBE - VRE = 0 6. VCC - VRC - VCB - VBE - VRE = 0 Aplicando-se LKC no ponto X, temos: 1. IB = I1 - I2 2. I1 = I2 + IB CURVAS CARACTERÍSTICAS: As curvas características definem a região de operação de um transistor, tais como: região de saturação, região de corte, região ativa e região de ruptura. De acordo com as necessidades do projeto essas regiões de operação devem ser escolhidas. Quando necessitamos de um transistor como chave eletrônica, normalmente as regiões de corte e saturação são selecionadas; no caso de transistor operando como amplificador, via de regra, escolhe-se a região ativa. A região de ruptura indica a máxima tensão que o transistor pode suportar sem riscos de danos. A seguir são mostradas algumas curvas características, apenas como fim didático, não sendo obedecido a rigor nenhum tipo de escala. CURVA CARACTERÍSTICA PARA MONTAGEM EM EMISSOR COMUM: A região de corte é mostrada na área sombreada, onde IB = 0. A curva de potência máxima representa a máxima potência que pode ser dissipada pelo transistor. CURVA CARACTERÍSTICA PARA MONTAGEM EM BASE COMUM: Observa-se na curva característica para montagem em base comum, que a corrente de emissor controla a corrente de coletor, enquanto que na curva característica para montagem em emissor comum, a corrente de base controla a corrente de coletor. CURVA CARACTERÍSTICA PARA MONTAGEM EM COLETOR COMUM: Observe a calibração dos eixos de tensão e corrente para a montagem em coletor comum, onde a corrente de base controla a corrente de emissor. A figura abaixo mostra a curva característica para emissor comum semelhante a vista anteriormente, no entanto, observe a área sombreada, a qual é denominada de área útil, na qual o transistor opera com total segurança. A região útil é delimitada pela curva de potência máxima5 e conforme dito anteriormente, o transistor trabalha com segurança, não ultrapassando a máxima potência permitida. CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO: 7 ETE ALBERT EINSTEIN - Transistor de junção bipolar I - Prof. Edgar Zuim 5 Também denominada hipérbole de máxima dissipação. Se RE for 10 vezes maior do que , podemos simplificar a fórmula: IE = Para se conseguir uma boa estabilidade no circuito utiliza-se a regra 10:1, o que equivale dizer que: RTH F 0A 3 0,1 F 0 6 2RE Apresentamos a seguir algumas regras práticas para a elaboração de um projeto de polarização por divisor de tensão na base: VE = 0,1VCC VCE = 0,5VCC VRC = 0,4VCC RC = 4RE RBB = 0,1F 06 2RE RB1 = ou RB1 = RBB . RB2 = ou RB2 = Cálculo das correntes de emissor, base e coletor • Em função de F 06 2 IB = - ICBO F 0E 8 IE = (F 06 2 + 1)IB + ( F 0 6 2 + 1)ICBO IC = F 06 2IB + ( F 0 6 2 + 1)ICBO onde: ( F 0 6 2 + 1)ICBO = ICEO • Em função de F 06 1 : Partindo da equação ( II ) da página 6 desta apostila: IC = F 06 1IE + ICBO temos: IE = IC + IB logo: IC = F 06 1(IC + IB) + ICBO portanto: IC = F 06 1IC + F 0 6 1IB + ICBO resolvendo: IC - F 06 1IC = F 0 6 1IB + ICBO colocando IC em evidência resulta: IC (1 - F 06 1) = F 0 6 1IB + ICBO portanto: IC = 10 ETE ALBERT EINSTEIN - Transistor de junção bipolar I - Prof. Edgar Zuim CORRENTES DE FUGA NO TRANSISTOR: Existem três situações distintas para o transistor: coletor aberto; emissor aberto e base aberta. IEBO : É a corre nte entre base e emissor com o coletor aberto. Não é normal termos esta situação, uma vez que a junção base-emissor de um transistor é sempre polarizada diretamente. ICEO: Esta corrente ao contrário da anterior, tem um elevado significado. Trata-se da corrente entre coletor e emissor com a base aberta. ICEO = (F 06 2 + 1)ICBO Basicamente determina a amplificação de um circuito, conforme será visto mais adiante. ICBO: Varia com a temperatura, sendo de grande importância, uma vez que, para cada 10ºC de aumento de temperatura, essa corrente dobra. É a corrente entre coletor e base, com o emissor aberto. EXERCÍCIOS RESOLVIDOS SOBRE POLARIZAÇÃO: 1 - Dado o circuito abaixo, polarizar o transistor na região ativa, determinando o valor dos resistores e as correntes. Soluç ão: Adot ando VE = 0,1VCC, VCE = 0,5VCC e VRC = 0,4VCC, temos: VE = VRE = 1,2V VCE = 6V VRC = 4,8V Cálc ulo de IB Com o F 06 2 0 0 1 F = 100, podemos fazer I C = IE, logo: IB = = = 30F 06 DA Cálc ulo de RE RE = = = 400F 05 7 Cálculo de RBB RBB = 0,1F 06 2 .400 = 4k F 0 5 7 Cálculo de VBB 11 ETE ALBERT EINSTEIN - Transistor de junção bipolar I - Prof. Edgar Zuim VBB = RBBIB + VBE + VRE = 4.000.(30.10-6) + 0,7 +1,2 = 0,12 + 0,7 + 1,2 VBB = 2,02V Cálculo de RC RC = = = 1,6kF 05 7 (equivalente a 4RE) Cálculo de R1 R1 = = = = 23.762F 05 7 Cálculo de R2 R2 = = = = 4.817F 05 7 Podemos também calcular R2 da seguinte forma: R2 = = = = = 4.809F 05 7 F 0 B B 4.817 F 0 5 7 RESPOSTAS: RC 1,6kF 05 7 RE 400F 05 7 R1 23,762kF 05 7 R2 4,817kF 05 7 IB 30F 06 DA IE 3mA IC 3mA 2 - Dado o circuito a seguir, calcule: F 06 2 , ICEO, IC, IB, RC e RB. Cálculo de F 06 2 Cálculo de ICEO ICEO = (F 06 2 + 1)ICBO = 12,5.(6 F 0 6 DA) = 75 F 0 6 DA Cálculo de IC IC = F 06 1 IE + ICBO = 0,92.(4mA) = 3,68mA + 75 F 0 6 DA = 3,755mA Cálculo de IB IB = IE - IC = 4mA - 3,755mA = 245F 06 DA Cálculo de RC RC = F 0 E 8 VRC = VCC - VCE - VRE (onde VRE = 0,1VCC) VRC = 12 - 5 - 1,2 = 5,8V RC = = 1.54kF 05 7 (1.544,6 F 0 5 7) Cálculo de RE RE = = = 300F 05 7 12 ETE ALBERT EINSTEIN - Transistor de junção bipolar I - Prof. Edgar Zuim • • • • característica do transistor, fornecida pelo fabricante. A vantagem da utilização do método gráfico é a rapidez na análise dos pontos de operação de um transistor. Neste capítulo abordaremos apenas reta de carga para CC; reta de carga para CA será abordada posteriormente. Entende-se como ponto de operação, um determinado ponto em que o transistor opera na ausência de sinal, podendo esse ponto ser escolhido ao longo da reta de carga, se quisermos que ele opere na região linear, região de corte ou região de saturação. Este ponto é denominado "ponto quiescente" ou simplesmente "Q". Tomemos como exemplo o circuito a seguir na montagem em emissor comum, onde a curva característica do transistor é mostrada ao lado. Observe as áreas sombreadas, que representam as regiões de corte e de saturação. Para determinarmos a reta de carga, necessitamos de dois pontos. Através da equação VCC = (RC + IE)IC + VCE, obtemos: 1º ponto: para IC = 0, temos VCC = VCE = 25V 2º ponto: para VCE = 0, temos IC = Procedimento: Traça-se então a reta de carga unindo os dois pontos. Para que o transistor opere na região linear, o ponto Q deverá ser o ponto médio da reta de carga. No nosso exemplo o ponto médio (bem aproximado) coincidiu com a corrente de base equivalente a 30F 06 DA. A partir daí então pod emos dete rminar a corr ente de cole tor e a tens ão entre cole tor e emi ssor: 15 ETE ALBERT EINSTEIN - Transistor de junção bipolar I - Prof. Edgar Zuim ICQ = 11, 25mA VCE Q = 11V IBQ = 30F 06 DA Podemos entã o calcular o F 06 2 e aplicar LK T para dete rminar a tens ão nos resi stores: F 0 6 2 = Partindo da equação: VCC = VRC + VCE + VRE VRC = (11, 25mA). 1k F 0 5 7 = 11,25V VRE = (11, 25mA). 250F 05 7 = 2,812V Então: VCC = 11,25 + 11 + 2,812 = 25,062V F 0B B 25V 16 ETE ALBERT EINSTEIN - Transistor de junção bipolar I - Prof. Edgar Zuim Se na mesma curva selecionarmos um ponto quiescente (Q1) mais próximo da região de saturação, por exemplo IB = 45F 06 DA, teremos um aumento da corrente de coletor e uma diminuição de VCE; para um ponto quiscente (Q2) mais próximo da região de corte, por exemplo IB = 10F 06 DA, teremos uma diminuição da corrente de coletor e um aumento de VCE, conforme ilustra a figura abaixo: CONCLUSÕES: 1. Quando um transistor opera na região de saturação ou bem próxima dela, a tensão entre coletor e emissor (VCE) tende a zero, pois aumenta consideravelmente a corrente de coletor. 2. Quando um transistor opera na região de corte ou bem próxima dela, a tensão entre coletor e emissor (VCE) tende a se igualar a VCC, pois a corrente de coletor tende a zero. A tensão de saturação típica para um transistor de silício é da ordem de 150 a 250mV. Podemos então aplicar LKT referente aos pontos Q1 e Q2, e constatar a variação de F 06 2 ao longo da reta de carga. Para Q1: F 0 6 2 = VCC = VRC + VCE + VRE = 1kF 05 7.(18mA) + 2,6 + 250 F 0 5 7.(18mA) VCC = 18 + 2,6 + 4,5 = 25,1V F 0B B 25V Para Q2: F 0 6 2 = VCC = VRC + VCE + VRE = 1kF 05 7.(2,5mA) + 22 + 250 F 0 5 7.(2,5mA) VCC = 2,5 + 22 + 0,625 = 25,125V F 0B B 25V A reta de carga pode ser também obtida para uma configuração base comum ou emissor comum, seguindo o mesmo processo. Apresentaremos um exemplo de uma reta de carga para uma montagem em base comum. Como no caso anterior, devemos determinar dois pontos para tra çar a reta de carga. 1º ponto: Quando IC = 0, temos VCB = VCE = VCC. Observe que o eixo da tensão está calibrado em VCB. Quando IC = 0, VBE = 0, como VCB = VCE - VBE, logo VCB = VCE - 0 Portanto, VCB = 25V 2º ponto: Para VCE = 0, temos: IC = Neste caso RE é o circuito de entrada da configuração base comum, sendo então desconsiderado para calcular um dos pontos da reta de carga. 17 ETE ALBERT EINSTEIN - Transistor de junção bipolar I - Prof. Edgar Zuim VCC = +12V IC = 5mA (um ponto médio da reta de carga dentro da região ativa) Deter minar: • As tensões em RC para os valores de 10F 05 7 e 1000 F 0 5 7 • O valor de VCE nas duas condições Determinando RE Considerando IC = IE, temos: RE = Lembrar que VBB - VBE = VRE = VE A tensão de 4,3V ficará fixa, fixando também a corrente do emissor, para uma grande gama de valores de RC, desde que o transistor opere dentro da região ativa. Calculando VRC Levando-se em conta que a tensão do emissor está amarrada em 4,3V então, para os dois casos IC = 5mA (estamos admitindo IE = IC). Para RC = 470F 05 7 F 0 E 8 VRC = 10F 05 7 .(5mA) = 0,05V Para RC = 1,5kF 05 7 F 0 E 8 VRC = 1kF 05 7 .(5mA) = 5V Para satisfazer a equação VCC - VRC - VCE - VRE = 0, a tensão VCE é que variará, assim sendo temos: Para RC = 10F 05 7 VCE = 12 - 0,05 - 4,3 = 7,65V Para RC = 1kF 05 7 VCE = 12 - 5 - 4,3 = 2,7V CONCLUSÕES: A corrente de coletor manteve-se constante para uma variação muito grande de RC (100 vezes). Mesmo com RC = 0 a corrente de emissor se manterá em 5mA. No entanto, se RC assumir valores mais elevados, suponhamos 4kF 05 7 , teríamos teoricamente VRC = 20V, o que invalidaria a equação VCC - VRC - VCE - VRE = 0, em outras palavras, para satisfazer a dita equação, IC teria que assumir valores menores. Deve-se portanto evitar trabalhar com valores de RC que propiciem uma tensão VCE muito próxima da região de saturação. 20 ETE ALBERT EINSTEIN - Transistor de junção bipolar I - Prof. Edgar Zuim O valor da corrente de coletor não depende do valor de F 06 2 , isto é, ao substituir o transistor por outro de F 06 2 diferente, a corrente de coletor permanecerá praticamente igual. Quanto maior for RE (respeitando-se as características do projeto), mais estável torna-se a corrente de coletor. Quando o valor de VCC for relativamente baixo (por exemplo 5V) o acionamento de leds é mais eficaz com uma fonte de corrente, pois para leds de cores, tamanhos e fabricantes diferentes (a tensão pode variar de 1,5V a 2,5V), a corrente será praticamente constante não prejudicando a luminosidade. Para fixar melhor o conceito referente ao transistor operando como fonte de corrente vamos admitir uma situação conforme ilustra a figura abaixo. Os leds L-1 e L-2 necessitam de uma corrente de 15mA para obter uma luminosidade ideal. No entanto L-1 proporciona uma queda de 1,5V enquanto que L-2 uma queda de 2,5V. Poderá o led 2 ter sua luminosidade diminuída por necessitar de mais tensão? Solução: A primeira impressão é de que realmente o led 2 terá sua luminosidade diminuída, pois em comparação ao led 1 necessita de mais tensão em seus terminais. No entanto como os leds estão sendo acionados por uma fonte de corrente tal não acontecerá, conforme será mostrado nos cálculos a seguir: Fixando a corrente de emissor: Se ambos os leds necessitam de 15mA para o brilho ideal então basta fixar a corrente de emissor em 15mA, dimensionando o valor de RE. RE = (onde VBB - VBE = VRE) Adotaremos então RE = 150F 05 7 Para o led 1: VCE = 6 - Vled - VRE = 6 - 1,5 - 2,3 = 2,2V Para o led 2: VCE = 6 - Vled - VRE = 6 - 2,5 - 2,3 = 1,2V Desta forma, a luminosidade do led 2 não será diminuída. A figura a seguir mostra que a corrente nos leds permanece constante, embora as tensões sejam diferentes. 21 ETE ALBERT EINSTEIN - Transistor de junção bipolar I - Prof. Edgar Zuim Reta de carga de L-1 1º ponto: IC = 2º ponto: VCE = VCC - Vled = 6 - 1,5 = 4,5V Reta de carga de L-2 1º ponto: IC = 2º ponto: VCE = VCC - Vled = 6 - 2,5 = 3,5V REGULADOR SÉRIE: O regulador série é na realidade uma fonte de alimentação regulada mais sofisticada em relação aos reguladores que utilizam apenas diodo zener. O diodo zener atua apenas como elemento de referência enquanto que o transistor é o elemento regulador ou de controle. Observa-se que o transistor está em série com a carga, daí o nome regulador série. FUNCIONAMENTO: • A tensão de saída estará disponível na carga (VL), então: VL = VZ - VBE • Como VZ >> VBE podemos aproximar: VL = VZ • Sendo VZ constante, a tensão no ponto "x" será constante • Caso VIN aumente podemos analisar o que acontece aplicando LKT: VIN = VR + VZ, mas VR = VCB, logo: VIN = VCB + VZ VCE = VCB + VBE Portanto, quando VIN aumenta, como VZ é constante, VCB também aumentará provocando um aumento de VCE, de modo a suprir a variação na entrada, mantendo VL constante. VL = VIN - VCE Então: se VIN aumenta F 0 E 8 VCE aumenta F 0 E 8 VL não se altera • Caso VIN diminua podemos analisar o que acontece aplicando LKT, obedecendo os mesmos princípios adotados anteriormente. Neste caso VCB diminui. 22 ETE ALBERT EINSTEIN - Transistor de junção bipolar I - Prof. Edgar Zuim IZ(MAX) = IZ(MAX) = Como PZ(MAX) teórico = 73,53mA e IZ(MAX) = 71,2mA o diodo zener escolhido pode ser utilizado. Cálculo de R: Para a máxima de tensão de entrada: VIN(MAX) = 13,2V VIN(MAX) = R.(IB(MIN) + IZ(MAX)) + VZ Na pior condição: RL = F 0A 5 F 0 E 8 IB(MIN) = 0 VIN(MAX) = (R . IZ(MAX)) + VZ R = Para a mínima tensão de entrada: VIN(MIN) = 10,8V R = Portanto R deverá ser maior do que 87,04F 05 7 e menor do que 89,89 F 0 5 7. Adotaremos o valor comercial mais próximo: 91F 05 7 Potência dissipada pelo resistor: P = F 0E 8 P = = Podemos adotar um valor comercial mais próximo: 1W REGULADOR PARALELO: A exemplo do regulador série, o transistor atua como elemento de controle e o zener como elemento de referência. Como a carga fica em paralelo com o transistor, daí a denominação regulador paralelo, cujo circuito é mostrado abaixo. A análise do seu funcioname nto segue basicamente os mesmos princípios do regulador série, no que diz respeito aos parâmetro s do transistor e do diodo zener. FUNCION AMENTO: 25 ETE ALBERT EINSTEIN - Transistor de junção bipolar I - Prof. Edgar Zuim • VZ = VCB F 0 E 8 0 0 1 F como V Z é constante, VCB será constante • VCE = VCB + VBE, mas VCB >> VBE logo: VCE = VCB, onde VCE = VZ Ao variar a tensão de entrada dentro de certos limites, como VZ é fixa, variará VBE variando a corrente IB e consequentemente IC. Em outras palavras, variando-se a tensão de entrada ocorrerá uma atuação na corrente de base a qual controla a corrente de coletor. Neste caso, VCE tende a parmanecer constante desde que IZ não assuma valores menores que IZ(MIN) e maiores que IZ(MAX). Os parâmetros para o projeto de em regulador paralelo são essencialmente: VIN, VL e IL(MAX). • Tensão de entrada máxima: Na pior condição RL = F 0A 5 F 0 E 8 IL = 0 VIN(MAX) = R1.(IL(MAX) + IC(MAX)) + VZ + VBE ( I ) • Tensão de entrada mínima: VIN(MIN) = R1.(IZ(MIN) + IC(MIN) + IL(MAX)) + VZ + VBE ( II ) Dividindo ( I ) e ( II ), temos: Isolando IZ(MAX): IZ(MAX) = ( III ) OBS: IC(MIN) é a corrente de coletor para uma tensão de entrada mínima. Em muitos projetos a mesma pode ser desprezada por não ter influência significativa no resultado final. • Corrente em R2: IR2 = IZ(MIN) - IB(MIN), onde IB(MIN) = portanto: IR2 = IZ(MIN) - ( IV ) Quando a tensão de entrada for máxima e a carga estiver aberta (pior condição), um acréscimo de corrente circulará pelo diodo zener. Como VBE é praticamente constante, essa corrente circulará pela base do transistor, daí então teremos: IC(MAX) = F 06 2 (MIN) . (IZ(MAX) - IR2 ( V ) Substituindo ( V ) em ( III ), temos: IZ(MAX) = . (IZ(MIN) + IC(MIN) + IL(MAX)) - F 06 2 (MIN).(IZ(MAX) - IR2 IZ(MAX) = 26 ETE ALBERT EINSTEIN - Transistor de junção bipolar I - Prof. Edgar Zuim Escolha do transistor: Deverão ser observados os parâmetros: VCEO 8 > (VZ + VBE) IC(MAX) > IL(MAX) PC(MAX) > (VZ + VBE) . IC(MAX) Escolha do diodo zener: Os parâmetros são idênticos aos adotados no regulador série. PROJETO Projetar um regulador paralelo , com as seguintes características: VL = 15V IC(MAX) = 600mA VIN = 22V F 0B 1 10% Escolha do transistor: O transistor deverá ter as seguintes características: VCEO > (VCE + VVBE) Ic(MAX) > IL(MAX) PC(MAX) > (VZ + VBE) . IC(MAX) Adotaremos o transistor 2N3534, que tem as características: VCEO = 35V IC(MAX) = 3A PC(MAX) = 35W F 0 6 2 (mínimo = 40; máximo = 120) Escolha do diodo zener: O diodo zener escolhido foi o BZXC1C15, que tem as características: PZ(MAX) = 1,3W IZ(MIN) = 20mA VZ = 15V IZ(MAX) = Verificando se o diodo zener escolhido pode ser utilizado: IZ(MAX) = Desprezando IC(MIN) F 0 E 8 ICMIN) = 0, então como IR2 = IZ(MIN) - , IR2 = 20mA IZ(MAX) = IZ(MAX) = = (2,073 . 1,42).0,0244 = 71,83mA IZ(MAX) = 71,83mA (o zener pode escolhido é compatível) Calculando IC(MAX): IC(MAX) = F 06 2(MIN) . (IZ(MAX) - IR2) 27 ETE ALBERT EINSTEIN - Transistor de junção bipolar I - Prof. Edgar Zuim 8 VCEO é a tensão entre coletor e emissor com a base aberta PR1 = Cálculo de R2 Adota-se uma regra prática, onde: IR2 = 0,1.IC2 • Quando IC2 = IZ(MIN) F 0E 8 R2 < • Quando IC2 = IZ(MAX) F 0 E 8 R2 > IZ(MAX) = IZ(MIN) = F 0 E 8 IB1(MAX) = Cálculo de potência dissipada em R2 VR2 = VL - VZ - VBE2(MIN) PR2 = Cálculo de R3 VR3 = VL . F 0 E 8 VR3.(R3 + R2) = VL.R3 VR3.R2 + VR3.R3 = VL.R3 F 0 E 8 VR3.R2 = VL.R3 - VR3.R3 VR3.R2 = R3.(VL - VR3) R3 = F 0 E 8 (R2 adotado no cálculo anterior) Cálculo de potência em R3 Em R3 temos: VR3 = VZ + VBE2(MAX) PR3 = PROJETO Projetar uma fonte regulada com amplificador de erro, usando dois transistores e um diodo zener de referência, que obedeça as características: VIN = 25V F 0B 1 10% IL(MAX) = 800mA Tensão na carga (VL) = 12V Teremos: VIN(MAX) = 25 + 2,5 = 27,5V F 0E 8 VIN(MIN) = 25 - 2,5 = 22,5V Escolha de T1: O transistor T1 deverá ter as seguintes características: IC(MAX) > IL(MAX) = 0,8A VCEO > VIN(MAX) - VL = 27,5 - 12 = 15,5V PC(MAX) > (VIN(MAX) - VL).IL(MAX) = (27,5V - 12V).800mA = 12,4W O transistor escolhido foi o BD233 que tem os seguintes parâmetros: VCEO = 45V IC(MAX) = 2A 30 ETE ALBERT EINSTEIN - Transistor de junção bipolar I - Prof. Edgar Zuim PC(MAX) = 25W F 0 6 2 (MIN) = 40 F 0 E 8 F 06 2 (MAX) = 250 Escolha do diodo zener: Podemos escolher uma tensão de referência. Adotamos como tensão de referência para nosso projeto VZ aproximadamente 0,5VL. No entanto, outro valor pode ser escolhido. Para este projeto, optou-se pelo diodo zener BZX87-C5V1, que tem os parâmetros: IZ(MIN) = 50mA VZ = 5,1V PZ(MAX) = 1,3W Devemos verificar se o zener escolhido é adequado ao projeto: IZ(MAX) = IZ(MAX) = Adotando para este projeto VBE1(MIN) = 0,6V e para VBE1(MAX) = 0,7V IZ(MAX) = IZ(MAX) = Portanto, o diodo escolhido poderá ser usado. Escolha de T2: O transistor T2 deverá ter as seguintes características: VCEO > (VL + VBE2(MIN) - VZ) = (12V + 0,6V) - 5,1V = 12,6V - 5,1V = 7,5V IC(MAX) > IZ(MAX) = 255mA PC(MAX) > [(VL + VBE1(MIN)) - VZ] . IZ(MAX) PC(MAX) > [(12V + 0,6V) - 5,1V] . 255mA = 1,912W Para o transistor T2 também foram adotados os valores de 0,6V e 0,7V para VBE2(MIN) e VBE2(MAX) respectivamente. O transistor escolhido foi o BD135 que tem as seguintes características: VCEO = 45V IC(MAX) = 1A PC(MAX) = 8W F 0 6 2 (MIN) = 40 F 0 E 8 F 06 2 (MAX) = 250 Cálculo de R1: R1 > = R1 < = 58,4F 05 7 < R1 < 140 F 0 5 7 F 0 E 8 valor adotado: 100F 05 7 Calculando a potência desenvolvida em R1: PR1 = = (adotar 5W) 31 ETE ALBERT EINSTEIN - Transistor de junção bipolar I - Prof. Edgar Zuim Cálculo de R2: R2 > F 0 E 8 IZ(MAX) = IZ(MAX) = R2 > R2 < F 0E 8 IZ(MIN) = IZ(MIN) = R2 < 422,82F 05 7 < R2 < 794,87 F 0 5 7 F 0 E 8 adotar 560F 05 7 Calculando a potência desenvolvida em R2: PR2 = PR2 = Cálculo de R3: R3 = = F 0 E 8 adotar 470F 05 7 onde: VR3 = VZ + VBE2(MIN) Calculando a potência desenvolvida em R3: PR3 = PR3 = CONFIGURAÇÃO DARLINGTON: Se F 06 2 1 = F 0 6 2 2 = 100, teremos: IC1 = IE1 e IC2 = IE2 O ganho total (F 06 2T) será dado por: F 0 6 2 1 . F 0 6 22 = 100.100 = 10.000 Assim, IC2 = F 06 2T . IB1 A tensão entre base e emissor é dada por: VBE = VBE1 + VBE2 Por se tratar da configuração emissor comum, assume valor bastante elevado de impedância de entrada e valor bastante baixo de impedância de saída, em relação a um transistor comum. A configuração Darlington normalmente é encontrada em um único invólucro, como por exemplo os transistores BD262 e BD263, com polaridades pnp e npn respectivamente. 32 ETE ALBERT EINSTEIN - Transistor de junção bipolar I - Prof. Edgar Zuim