Transistor Bsico

Anlise Circuitos com TransistorEng.: Roberto Bairros dos Santos. Um empreendimento Bairros Projetos didticos www.bairrospd.kit.netEste artigo descreve os principais circuitos com transistor: circuito de transistor operando como chave, circuito com resistor, circuito de fonte de corrente constante com zener, circuito de corrente constante com divisor de tenso!

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Contedo1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 Introduo:......................................................................................................... 3 A Corrente de Fuga. ............................................................................................ 4 A variao do ganho beta. ................................................................................... 5 O transistor com corrente de base constante: ...................................................... 6 Circuito de transistor operando como chave: ....................................................... 8 Circuito com Resistor de Emissor:..................................................................... 10 Refletindo o Resistor de Emissor: ...................................................................... 12 A questo da estabilidade do circuito: ............................................................... 13 O Beta e o Alfa:................................................................................................. 15 O transistor como fonte de corrente constante!............................................... 16 Transistor como fonte de corrente constante com divisor de tenso na base! ... 18

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1 Introduo:Para analisar um circuito com transistor voc dever usar as j conhecidas leis da eletrnica: Lei de Ohm. Lei das Malhas Lei dos ns. A diferena agora consiste na incluso na equao de malhas das equaes do transistor:

I C = .I B VBE = 0,7V I E = I B + IC I CA equao mais importante a do ganho do transistor:

I C = .I BA queda de tenso entre a base e o emissor ser de 0,7 para transistores de silcio, que so a maioria do mercado, no entanto para transistores de germnio esta tenso ser de 0,3V.

VBE = 0,7VA equao da corrente de emissor possui duas verses: Equao exata considerando a corrente de emissor como a soma da corrente de base com a corrente de coletor. Equao aproximada que considera a corrente de emissor igual a corrente de coletor.

Na prtica vamos considerar a corrente de emissor igual a corrente de coletor desde que o ganho seja muito maior do que 10. Este o caso da maioria dos circuitos e esta a equao que voc deve usar na anlise dos circuitos deste trabalho!

I E = I B + IC I C

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2 A Corrente de Fuga.O transistor e o diodo so formados por junes semicondutoras que permitem que a corrente circule somente em um sentido. O sentido exato depende do tipo de transistor: No transistor NPN existe uma corrente circula entre a base e o emissor e outra entre o coletor e o emissor. No transistor PNP existe uma corrente circula entre o emissor e a base e outra entre o emissor e o coletor.

Estas so mostradas na figura abaixo!

Figura 1: Sentido das correntes nos transistores PNP e NPN. Quando o transistor est cortado no existe corrente na base nem corrente no coletor, no entanto na prtica aparece uma pequena corrente reversa tanto na base como no coletor esta corrente chamada de corrente de fuga e indicada pelo smbolo: IO A corrente de fuga desprezada na maioria das vezes, no entanto em circuitos que trabalham com sinais muito pequenos (da ordem de mili volt) estas correntes podem ter uma grande influncia no circuito. A corrente de fuga gerada internamente ao transistor e depende da energia que est incidindo sobre o transistor. Destas energias a temperatura a que tem maior influncia pelo aparecimento da corrente de fuga, mas energias como a luz e radiaes eletromagnticas tambm podem gerar a corrente de fuga. A corrente de fuga pode ser considerada uma praga na maioria dos circuitos, no entanto existem casos em que pode ser usados para detectar a presena de outros tipos de energia, assim, transistores podem ser usados para medir temperatura e intensidade de luz! Uma das principais aplicaes da deteco da corrente de fuga em sensores de luz como o foto transistor e foto diodo! O surgimento da corrente de fuga com a variao da energia devido ao surgimento de cargas eltricas no cristal semicondutor que compe um transistor. Esta uma caracterstica intrnseca do semicondutor.

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3 A variao do ganho beta.Um aspecto importante quanto ao ganho do transistor que o ganho beta pode variar, diferente do valor de um resistor que preciso. Existem trs fatores importantes que podem alterar o valor do beta: O beta varia com a temperatura. O beta varia de um componente para outro. O beta varia com a luz.

A variao do ganho beta com a variao da temperatura devido a caracterstica intrnseca do transistor, como foi visto no captulo anterior, assim como a temperatura a luz e outras formas de energia tambm alteram o ganho beta do transistor. , A variao do beta com a luz no ocorre em transistores encapsulados, uma vez que a luz no alcana o interior do transistor. A variao do ganho de um componente para outro devido a dificuldade do fabricante construir dois transistores perfeitamente iguais, assim, a maioria dos manuais especifica uma faixa para o ganho beta do transistor, por exemplo, entre 100 e 500! A variao do ganho beta um grande problema na maioria dos circuitos, e pode ser considerado um defeito do semicondutor. Em dias quentes o circuito opera de maneira diferente de dias frios, o aumento da temperatura pode fazer um aparelho eletrnico parar de funcionar! Muitos aparelhos eletrnicos possuem sistemas prprios de refrigerao que vai de um simples ventilador (cooler) at um equipamento de ar condicionado. Alguns componentes so construdos para usarem esta falha, o caso dos sensores de temperatura com semicondutor, estes so dispositivos bem prticos, fcil de usar e de grande preciso, no entanto so suados para medir temperaturas baixas at 500C, como por exemplo, o LM35! Voc ver nos captulos posteriores que os circuitos eletrnicos so projetos para dependerem o mnimo possvel do ganho beta e serem menos dependentes da temperatura.

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4 O transistor com corrente de base constante:Este o circuito mais simples utilizando transistores, nele a corrente de base fixada pela resistncia RB e a corrente de coletor IC funo da corrente de base. A corrente de base pode ser determinada pela malha por onde esta corrente circula! A corrente de coletor determinada pela caracterstica do transistor. A tenso entre o coletor e o emissor VCE pode ser determinada pela malha por onde circula a corrente de coletor IC!

Figura 2: Circuito com corrente de base constante. Anlise do circuito: Determinando a corrente de base pela malha 1 em azul!

VCC VRB VBE = 0 VBE = VCC VBE I B. RB = VCC VBE V VBE I B = CC RB

Determinando a corrente de coletor via caracterstica do transistor!

IC = .IBDeterminando da tenso coletor emissor VCE via malha da corrente de coletor em verde!

VCC VRC VCE = 0 VCE = VCC VRC VCE = VCC I C .R C

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Exemplo de circuito com corrente de base constante! Dado o circuito da figura abaixo determine a tenso VCE?

Figura 3: Exemplo de anlise de circuito com corrente de base constante.

Soluo:

V 0,7 10 0,7 I B = CC = 0,093mA VR1 100K I C = .I B = 100.0,093 = 9,3mA VR2 = I C .R2 = 9,3mA.500 = 0,093A.500 = 4,65V VCE = VCC = VR1 = 10V 4,65V = 5,35V

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5 Circuito de transistor operando como chave:Um transistor opera como chave quando opera em dos dois estados: Saturado ou cortado. Um transistor est cortado quando a corrente de de coletor zero, isto ocorre quando a corrente de base zero! Um transistor est saturado quando a tenso VCE se aproxima de zero, neste trabalho vamos considerar como sendo zero, na prtica esta tenso pode variar de zero volt at meio volt! Este tipo de aplicao muito comum em circuitos digitais. O circuito de um transistor operando como chave mostrada abaixo note que o mesmo circuito da corrente de base constante, no entanto a corrente de base bem maior nesse circuito do que o circuito anterior de forma a forar uma corrente de coletor to grande que a queda de tenso sobre o circuito de coletor igual tenso de alimentao, restando zero volt par a tenso VCE! Uma forma de forar o transistor a saturar calcular o circuito de base para uma corrente de 10% da corrente de coletor, isto , considerar o beta como sendo 10. Esta alternativa funciona bem para transistores com ganho beta maior do 20, quanto maior o ganho mais garantido de que o transistor est operando na saturao! Se o ganho beta do transistor variar um pouco, isto no vai influir no circuito uma vez que o beta considerado no clculo muito menor do que o beta real! Uma alternativa para determinar o resistor de base considerar este resistor como 10xRC do valor do resistor de coletor!

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Exemplo de circuito de transistor operando como chave! Determine o resistor de base para o circuito abaixo que uma chave para ligar um LED via porta TTL. Considere que a porta pode fornecer dois sinais de nvel: 0V e 5V!

Soluo: Neste caso voc quer acender um LED! A tenso no LED de 2V e a corrente prtica de 10mA, estes so valores prticos par ao clculo de circuito com LED! Para saturar o transistor a corrente de base deve ser de 10% da corrente de coletor:

I B = 0,1.Ic = 0,1.10mA = 1mA

O clculo do resistor de coletor feito considerando que a tenso VCE zero, isto , toda a energia da fonte est aplicda no circuito do LED e resistor RC!

V V V LED VCE 12V 2V 0V 10v RC = RC = CC = = = 1k IC IC 10mA 10mAO resistor de base calculado considerando a corrente de base j calculada!

V VBE 12V 0,7V 11,3V V R B = RB = CC = = = 11,3K IB IB 10mA 10mAVoc tambm poderia usar a relao dos resistores:

R B = 10.RC = 10.1K = 10kObserve que o valor comercial pelo mtodo da corrente e pelo mtodo do resistor praticamente o mesmo!

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6 Circuito com Resistor de Emissor:Um circuito com resistor de emissor melhor do ponto de vista da variao do ganho com a temperatura. Este tipo de circuito mostrado na figura abaixo.

Para analisar este circuito voc tem duas malhas: Malha da corrente de base e malha da corrente de coletor. Olhando para a corrente de base:

+ VCC VRB VBE VRE = 0 VCC = VRB + 0,7V + VRE

VCC = I B .RB + 0,7V + ( I B + I C ) REObserve que a tenso no resistor de emissor a soma da corrente de base com a corrente de coletor. Se voc aplicar a relao do transistor para determinar IC voc conseguir determinar a corrente de base!

VCC = I B .RB + 0,7V + ( I B + I C ) RE VCC = I B .RB 0,7V + ( I B + .I B ) RE VCC 0,7 = I B .RB + I B (1 + ).RE VCC 0,7 = I B ( RB + (1 + ).RE ) IB = VCC 0,7 RB + (1 + ) RE

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A equao da corrente de base pode ser simplificada se o beta for maior do que dez, e, isto o que ocorre na prtica, assim, a equao anterior pode ser reduzida equao abaixo:

IB =

VCC 0,7 R B + .R E

Note que esta equao similar a equao do circuito com corrente de base constante considerando um resistor extra no circuito de base constituda do produto do resistor de base multiplicado pelo ganho beta do transistor! A corrente de coletor determinada pela j conhecida relao do transistor Tendo a corrente coletor possvel determinar a tenso em cada um dos componentes e ento voc pode isolar a tenso entre o coletor e o emissor VCE!

I C = .I B VCC VRC VCE VRE = 0 VCC I C .RC VCE I C .RE = 0 VCE = VCC I C .RC I C .RE

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7 Refletindo o Resistor de Emissor:Baseado na equao da corrente de base levantada no circuito do pargrafo anterior e mostrada abaixo voc pode usar uma tcnica que simplifica o circuito para determinar a corrente de base.

IB =

VCC 0,7 R B + .R E

Note que a equao similar a equao do circuito com corrente de base constante desde que voc considere que a parcela .RE simplesmente um novo resistor colocado no circuito de base, este novo resistor o resistor de emissor refletido na base! Quando voc reflete o resistor de emissor para a base ele passa multiplicado pelo valor do beta do transistor! O circuito equivalente com o resistor de emissor refletido na base mostrado abaixo. Notar que esta tcnica serve para simplificar o circuito para determinar a corrente de base, o restante do circuito continua como antes!

Figura 4: Circuito mostrando o resistor de emissor refletido na base!

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8 A questo da estabilidade do circuito:Observe que o circuito com resistor de emissor apresenta uma boa estabilidade, isto pode ser visto a partir da equao da corrente de base mostrada abaixo!

IB =

VCC 0,7 R B + .R E

Se temperatura aumentar o valor do ganho beta do transistor, no circuito com um resistor somente na base, sem resistor de emissor, a corrente de coletor aumenta de forma proporcional ao ganho beta do transistor, pois, a corrente de coletor a corrente de base multiplicada pelo ganho beta do transistor! J no circuito com resistor de emissor quando o ganho beta aumentar devido a temperatura o valor do denominador na equao acima tambm aumenta e a corrente de base diminui, mantendo a corrente de coletor mais estvel! A experincia mostra que para um circuito ter uma boa estabilidade com respeito variao do beta com a temperatura a tenso sobre o resistor de emissor deve ser da ordem de 10% da tenso de alimentao VCC! Estabilidade=> VRE = 0,1VCC

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Exemplo de circuito com resistor de emissor: Determine no circuito abaixo a corrente de base e a tenso VCE?

Soluo: Para determinar a corrente base vamos usar a tcnica do resistor de emissor refletido para a base, neste caso circuito de base fica como no diagrama abaixo!

A corrente de base:

IB =

VCC 0,7 12V 07V 11,3V = = = 0,1mA R B + .R E 100k + 12 K 112 K

A corrente de coletor calculada usando a caracterstica do transistor:

Ic = .I B = 0,1mA.100 = 10mA

A tenso VCE:

VCE = VCC V RE V RC = VCC ( I C .R E ) ( Ic.RC ) VCE = 12V (10mA.120) (10mA.470) = 12V 1,2V 4,7V = 6,1V

Observe que o transistor est operando como amplificador!!!

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9 O Beta e o Alfa:Como voc j sabe o ganho beta () do transistor a relao entre a corrente de coletor e a corrente de base, a indicao de quantas vezes o transistor amplificou a corrente que entrou na base e saiu no coletor! Existe um segundo parmetro no transistor chamado de alfa () que mede a relao entre a corrente de coletor e a corrente de emissor para uma tenso VCB constante. Na maioria dos circuitos voc deve considerar a corrente de coletor igual a corrente de emissor, mas na verdade a corrente de coletor um pouco menor do que a corrente de emissor, pois, a corrente de emissor a soma da corrente de coletor mais a corrente de base.

I = C IEO valor do alfa bem prximo de um, uma vez que, que a corrente de coletor e emissor possui praticamente o mesmo valor. Quando voc considera a corrente de coletor igual a corrente de emissor voc esta atribuindo o valor de um para o alfa! Existe uma relao entre o beta e o alfa, esta relao pode ser levantada em funo da corrente de base e mostrado a seguir!

=

IC IC = I E I B + ICI C = .I B

Como:

=

I B . .I B = I B + .I B I B (1 + ) = 1+

Note que quando o beta for muito grande o denominador pode ser simplificado eliminando o um, ento, o alfa fica igual a um! Exemplo: Para um transistor de ganho beta igual a 100, determine o valor do alfa?

=

100 = = 0,99 1 + 101

Este um valor tpico para o alfa!

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10 O transistor como fonte de corrente constante!O circuito do transistor como fonte de corrente mostrado na figura abaixo, note que este circuito tambm usa um resistor de emissor, no entanto a tenso entre a base e o terra fixada pela tenso do zener tornando este circuito muito mais estvel do que o circuito somente com o resistor de emissor. No circuito do transistor como fonte de corrente constante a corrente de coletor fixada pela corrente no resistor de emissor. A corrente no emissor pode ser determinada pela malha que passa por VB (em vermelho na figura)!

Figura 5: Circuito com fonte de corrente constante com zener! Analisando a malha de entrada em vermelho para determinar a corrente de coletor:

VZ VBE VRE = 0 VZ VBE = VRE VRE = IC .RE

V VBE VB VBE IC = Z = RE REObserve que a corrente de coletor no depende do beta, isto torna este circuito praticamente imune as variaes do beta! Na verdade este circuito apresenta uma soluo simplificada uma vez que considera a corrente de coletor igual a corrente de base, na prtica a influncia da corrente de base presente emissor altera muito pouco a de emissor, esta relao exatamente o fator alfa! Note que a tenso de base VB exatamente a tenso sobre o zener!

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Exemplo de transistor como fonte de corrente constante: Determine a corrente de coletor no circuito abaixo!

Figura 6: Circuito do exemplo de circuito de transistor como fonte de corrente constante! Soluo:

V V BE V B V BE IC = Z = RE RE IC = 4,9v 5,6 0,7 = = 0,0098 A = 9,8mA 500 500

Note que o ganho beta do transistor no foi usado em nenhum momento e que o resistor de base RB tambm no tem influncia na corrente de coletor. O resistor de base RB tem a funo de polarizar o zener, por ele passam duas correntes: A corrente de base e a corrente do zener! Para o circuito funcione bem voc deve fazer com que a corrente no zener seja muito maior do que a corrente na base, uma forma de fazer isto prever a corrente no zener igual a 10% da corrente de coletor, tcnica similar a usada para saturar o transistor!

I Z = I Rb = 0,1.I cNo exemplo acima a corrente no resistor RB dada por:

I RB =

Vcc Vz 24 5,6 = = 1mA RB 18k

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11 Transistor como fonte de corrente constante com divisor de tenso na base!A filosofia deste circuito a mesma do circuito com zener, a diferena que a tenso VB so determinada pela tenso de um zener, mas, pela tenso de um divisor de tenso! O circuito com zener mais preciso do que o circuito com divisor de tenso, no entanto, o circuito com resistor mais simples. Este circuito o preferido para polarizar o transistor, isto , fazer o transistor funcionar com amplificador (VCE > zero volt)!

Figura 7: Circuito do transistor como fonte de corrente com divisor de tenso na base! Anlise do circuito: Para que este circuito funcione bem a corrente que passa pelos resistores RB1 e RB2 deve ser bem maior do que a corrente que entra na base, para isto o projetista do circuito deve considerar esta corrente como sendo 10% da corrente de coletor e usar um transistor com ganho beta maior do que 100, quanto maior o ganho beta tanto mais estvel ser o circuito! A tenso no resistor RE fixada pela tenso VB como no caso do diodo zener, somente que agora a tenso VB determinada pelo divisor de tenso formado por RB1 e RB2.

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As equaes do circuito so mostradas abaixo:

VB = Vcc.

R B2 R B1 + R B2

VRE = VB VBE Ic = VRE RE

VRC = I C .R C VCE = VCC VRE VRCPara efeito de projeto voc dever considerar que a corrente nos resistores do divisor de tenso ser igual a 10% da corrente de coletor. O transistor dever ter um ganho beta alto, maior do que 100. Para dar um circuito uma boa estabilidade quanto a variao do beta a tenso sobre o resistor de emissor dever ser de 10% da tenso de alimentao e ainda para que o transistor possa operar com segurana como amplificador a tenso VCE dever ser especificada como metade da tenso de alimentao!

I1 = 0,1.Ic > 100 VRE = 0,1.VCC VCE = 0,5.VCC

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Exemplo de circuito com transistor operando como fonte de corrente com divisor de tenso na base!

Figura 8: Neste circuito voc dever determinar a tenso VB e a tenso VCE? Soluo:

VB = VCC .

RB2 2,8k = 12. = 3,05V R B1 + RB 2 8,2 + 2,8

VRE = V B 0,7 = 2,35V VB 0,7 = 0,01A 220 VRC = I C .RC = 0,01A.470 = 4,7V VCE = VCC V RC VRE = 12 2,35 4,7 = 4,95V IC = I E =Observe que VCE maior do que zero, logo, o transistor est operando como amplificador.! A tenso VCE est prximo da metade da tenso VCC que o ideal! A corrente nos resistores de RB1 e RB2 pode ser determinada por:

I1 =

VCC 12V = = 1mA R B1 + R B 2 11

Esta corrente 10% da corrente de coletor 10 mA!

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