Eletrônica Geral II

MEC/SETEC

IFSUL – Campus Pelotas

Curso Técnico de Eletrônica

4º Semestre

Eletrônica Geral II

Luciano Braatz

Índice

1. Transistor de Junção Bipolar ..................................................................................... 3

1.1. Estrutura e Funcionamento .................................................................................... 3

1.1.1. Estrutura Interna do Transistor Bipolar ................................................................ 4

1.1.2. Procedimento para Testes de Transistores de Junção Bipolares ......................... 5

1.1.3. Funcionamento do Transistor ............................................................................... 6

1.1.4. Relações de Tensões e Correntes em Transistores .............................................. 7

1.2. Especificações do Transistor ................................................................................... 8

1.3. Encapsulamentos .................................................................................................... 9

2. Configurações .......................................................................................................... 12

2.1. Base Comum ......................................................................................................... 12

2.2. Emissor Comum .................................................................................................... 14

2.3. Coletor Comum ..................................................................................................... 13

2.4. Relação entre os ganhos de corrente das diferentes configurações .................... 16

3. Regiões de Operação ............................................................................................... 16

3.1. Operação como Chave .......................................................................................... 18

3.1.1. Relé ..................................................................................................................... 20

3.2. Operação como Amplificador ............................................................................... 24

4. Polarização do Transistor de Junção Bipolar ........................................................... 24

4.1. Polarização por Base Fixa ...................................................................................... 24

4.2. Realimentação de Corrente .................................................................................. 25

4.3. Realimentação de Tensão ..................................................................................... 26

4.4. Realimentação de Tensão e Corrente ................................................................... 27

4.5. Divisor de Tensão .................................................................................................. 28

4.6. Análise Gráfica....................................................................................................... 30

4.7. Limites de Operação ............................................................................................. 32

4.8. Procedimentos de Projeto .................................................................................... 33

5. Transistores Especiais .............................................................................................. 39

5.1. Transistor Darlington ............................................................................................ 39

5.2. Foto Transistor ...................................................................................................... 40

5.3. Optoacoplador ...................................................................................................... 42

6. Bibliografia ............................................................................................................... 45

Apêndice I – Respostas ................................................................................................... 46

Curso de Eletrônica Eletrônica Geral II

Luciano Braatz 3

1. Transistor de Junção Bipolar

O transistor de junção bipolar (TJB) é um dos componentes mais importan-

tes e desafiadores do campo da eletrônica.

Criado em 1947, por pesquisadores do Bell Labs, proporcionou o desenvol-

vimento de circuitos muito menores e, portanto, a redução no tamanho dos produtos.

Antes da criação do transistor, os circuitos eram produzidos utilizando válvulas termo-

dinâmicas, que têm os inconvenientes de tamanho, consumo de energia e a necessi-

dade de aquecimento de seus filamentos para que o circuito comece a funcionar. O

transistor resolveu estes problemas, além de aumentar a velocidade de chaveamento

e a resposta em frequência dos circuitos. A minimização dos circuitos, proporcionada

pelo uso do transistor, permitiu o desenvolvimento de circuitos integrados (CIs).

O transistor de junção bipolar foi descoberto acidentalmente durante os

estudos de superfície de um diodo de ponto de contato. Embora tivesse características

semelhantes ao transistor de junção bipolar, o dispositivo original se tratava de um

transistor de ponto de contato. Devido a problemas de custo e confiabilidade, o tran-

sistor de ponto de contato foi descartado, mas reorientou as ideias de Schocley, o teo-

rista responsável pelas pesquisas em semicondutores do Bells Labs, e levou ao desen-

volvimento da teoria do transistor de junção. O nome transistor foi derivado de suas

propriedades intrínsecas (TRANsfer reSISTOR, ou “resistor de transferência”). Em julho

de 1951, a Bell anunciou a criação do transistor de junção bipolar e, em setembro do

mesmo ano, promoveu um simpósio e se dispôs a licenciar a tecnologia de ambos os

transistores a qualquer empresa que pagasse US$ 25.000,00. Este foi o início da indus-

trialização do transistor.

1.1. Estrutura e Funcionamento

Como o transistor de junção bipolar surgiu do avanço de estudos realizados

em cima de diodos, em algumas situações, os conceitos desenvolvidos para diodos

serão utilizados no estudo dos transistores. As principais similaridades entre diodos e

transistores são:

Transistores e diodos são formados por junções PN que podem ser po-

larizadas direta ou inversamente.

Quando polarizada diretamente, a junção PN apresenta baixa resistên-

cia. Nessa situação, existe fluxo de corrente em função da diminuição

da região de depleção. Tipicamente, a queda de tensão na junção PN,

para o silício, varia entre 0,6V e 0,8V.

Quando polarizada inversamente, a junção PN apresenta alta resistên-

cia, devido ao aumento da região de depleção. Assim, a corrente que

circula pela junção é extremamente baixa (corrente de fuga).


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1.1.1. Estrutura Interna do Transistor Bipolar

O transistor bipolar é montado numa estrutura de cristais semicondutores,

formado por duas camadas de cristais de mesmo tipo, intercalada por uma camada do

tipo oposto, que controla a passagem de corrente entre as duas primeiras.

CB

E

NP

N

Cada camada recebe um nome, conforme seu papel no funcionamento do

transistor. Uma das extremidades recebe o nome de emissor, por injetar portadores

majoritários no dispositivo, a outra extremidade é o coletor, que coleta os portadores

majoritários do dispositivo, e a camada central, chamada base, controla a corrente que

circula entre os dois terminais. A simbologia e estrutura simplificada dos dois tipos de

transistores são:

N

P

N

E

B

C

B

C

E

Transistor NPN

P

N

P

E

B

C

B

C

E

Transistor PNP

A seta presente no símbolo do transistor identifica o terminal de emissor e

sua direção determina o tipo do transistor: no transistor NPN, a seta aponta para o

emissor, enquanto que no PNP, aponta para a base. Ou seja, a seta sempre aponta

para um cristal tipo N.

O cristal da base tem a menor espessura e menor nível de dopagem, en-

quanto que o do coletor tem uma dopagem média e apresenta o maior volume dentre

os três cristais e o do emissor tem o maior nível de dopagem. O transistor de junção

bipolar possui duas junções PN: a junção base-emissor (JBE) e a junção base-coletor

(JBC). Assim, para propósito de testes, os transistores de junção bipolares podem ser

considerados como dois diodos encapsulados em um dispositivo, conforme a figura

abaixo.


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Transistor NPN Transistor PNP

C

B

E C

B

E

1.1.2. Procedimento para Testes de Transistores de Junção Bipolares

Com um multiteste digital, na escala de diodo da função ohmímetro, o

transistor de junção bipolar deve conduzir somente em duas das seis combinações

possíveis, conforme a tabela:

Ponteira Transistor NPN Transistor PNP

Vermelha Preta JBE JBC Medição JBE JBC Medição

B C - Direta 0,7- - Reversa 1./-OL-

B E Direta - 0,7+ Reversa - 1./-OL-

C B - Reversa 1./-OL- - Direta 0,7-

E B Reversa - 1./-OL- Direta - 0,7+

C E Direta Reversa 1./-OL- Reversa Direta 1./-OL-

E C Reversa Direta 1./-OL- Direta Reversa 1./-OL-

As indicações 0,7- e 0,7+ representam valores próximos a 0,7V, sendo que

o valor medido em 0,7+ sempre será maior que o medido em 0,7-.

Portanto, ao testar um transistor de junção bipolar, sem conhecimento

prévio de seu tipo e disposição dos terminais, o terminal da base é identificado pelo

terminal que conduz para os outros dois quando em contato com uma determinada

ponteira. A cor da ponteira identifica o tipo do transistor: a ponteira vermelha na base

determina que o transistor seja NPN, enquanto que a preta identifica um transistor

PNP. Das medições realizadas, o coletor é identificado pela medição de menor valor

para a base.

Exemplo:

Ponteira Medição

A partir da tabela, percebe-se que quando a ponteira preta está no terminal 2, o transistor conduz para os dois terminais, portanto o terminal 2 é a base. Como a base está na ponteira preta, o transistor é PNP.

Verm Preta

1 2 0,635

1 3 -OL-

2 1 -OL-

2 3 -OL-

3 1 -OL-

3 2 0,639

Das leituras realizadas, o terminal 1 apresenta menor medição para a base, indicando o

terminal de coletor. Assim, o transistor testado é um transistor PNP, com disposição de termi-

nais: Coletor, Base e Emissor.


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1.1.3. Funcionamento do Transistor

O funcionamento do transistor será analisado com base na estrutura sim-

plificada do transistor NPN. A análise do transistor PNP é similar, considerando que os

só mudam os portadores majoritários de elétrons livres, no transistor NPN, para lacu-

nas móveis, no PNP. Assim, as tensões e correntes do transistor PNP são invertidas em

relação ao NPN.

As correntes de difusão nas junções do transistor produzem duas camadas

de depleção. Cada camada apresenta uma barreira de potencial com valor em torno de

0,7V, para cristais de silício, a 25°C. Devido aos diferentes níveis de dopagem de cada

cristal, as camadas de depleção têm larguras diferentes. Quanto menor a dopagem,

maior a largura da camada de depleção. Portanto, a camada é mais estreita no emis-

sor, mais larga na base e de largura intermediária no coletor.

NPN

EBC Para que o transistor funcione, deve ser polarizado corretamente. A junção

base-emissor – JBE – deve ser polarizada diretamente, enquanto que a base-coletor –

JBC – deve ser polarizada inversamente, com tensão superior à tensão aplicada na jun-

ção base-emissor.

Analisando cada junção isoladamente, a junção base-emissor polarizada di-

retamente gera um grande fluxo de portadores majoritários do emissor para a base. Já

a junção base-coletor, polarizada inversamente, tem sua zona de depleção aumentada,

impedindo a circulação de portadores majoritários, entretanto os portadores minoritá-

rios atravessam a barreira com facilidade, gerando uma corrente reversa de baixo va-

lor.

Com as duas junções polarizadas simultaneamente, foi constatado que o

fluxo de portadores majoritários (que circulavam de emissor para base), se dirige para

o coletor, quase que na totalidade, devido a dois fatores:

O campo elétrico formado pela tensão entre coletor e base, atrai os

portadores majoritários provenientes do emissor para o coletor.

Com o aumento da zona de depleção da junção base-coletor, a resis-

tência elétrica da base se eleva.

EBCNPN

EBCNPN

EBCNPN


Luciano Braatz 7

A corrente de base controla a tensão sobre a junção base-emissor, que al-

tera a largura da camada de depleção da junção base-coletor, controlando assim o

fluxo de portadores majoritários entre emissor e coletor. A relação entre a corrente de

coletor e de base é praticamente constante, para um transistor operando em condi-

ções normais.

1.1.4. Relações de Tensões e Correntes em Transistores

VCB

VCE

VBE

IE

IC

IB

VEB

VEC

VCE

IC

IE

IB

Pensando no transistor como um nó e utilizando a Lei das Correntes de Kir-

chhoff, tem-se:

Esta equação elementar vale tanto para transistores NPN quanto para PNP.

Em um transistor, a corrente de emissor ( ) sempre será a maior corrente, a corrente

de base ( ) sempre será menor e a corrente de coletor ( ) tem um valor intermediá-

rio, tal que .

Pela Lei das Tensões de Kirchhoff, temos as relações fundamentais das ten-

sões:

, para transistores NPN

, para transistores PNP.

Além disso, vale lembrar que:

Exemplo:

Determina os valores das tensões e correntes para os transistores abaixo:


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1.2. Especificações do Transistor

Nos catálogos dos transistores, fornecidos por fabricantes, um dos primei-

ros grupos de informações que devem ser levados em consideração são os Valores

Máximos (MAXIMUM RATINGS) do dispositivo.


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Os mais importantes a considerar são:

- Tensão máxima entre coletor e emissor, sem corrente de base;

– Tensão máxima entre coletor e base, sem corrente de emissor;

- Corrente máxima de coletor;

– Potência dissipada total máxima, determinada por .

Alguns catálogos são mais completos e provêm dados extras na forma de

tabelas e gráficos. Os gráficos são úteis para a identificação de alguma característica

que varia em função de algum parâmetro (temperatura, corrente de coletor, tensão

entre coletor e emissor, etc...).

1.3. Encapsulamentos

Os encapsulamentos mais comuns para transistores são: TO-126, TO-18,

TO-220, TO-3 e TO-92.

TO-18 TO-92 TO-126 TO-220 TO-3

O encapsulamento tem relação direta com a capacidade de dissipação de

potência do transistor.

Os transistores com encapsulamento TO-92 e TO-18 são para aplicações de

baixa potência.

Os encapsulamentos TO-126 e TO-220 são utilizados por transistores de

média potência e permitem a instalação do transistor em dissipador de calor (fixação

por parafuso pelo furo). Este furo passa por um suporte metálico que dissipa o calor

gerado nos cristais do transistor. Este suporte metálico, quando acessível externamen-

te tem ligação com o coletor do transistor.

O encapsulamento TO-3, desenvolvido para montagem direta em dissipa-

dor, apresenta somente dois terminais, pois sua carcaça metálica externa é o terminal

de coletor. Os transistores com encapsulamento TO-3 tem grande capacidade de dissi-

pação de potência.

Os encapsulamentos descritos acima são de tecnologia thru-hole (através

do furo), ou seja, os transistores são montados em furos da placa de circuito impresso

e soldados em sua outra face. A outra tecnologia, muito comum hoje em dia, é a SMD

(Surface Mounted Device, ou seja: dispositivos montados em superfície) em que o

componente é montado do mesmo lado da soldagem na placa de circuito impresso,

não havendo a necessidade de furar a placa. Os dois encapsulamentos mais comuns de

transistores SMD são o SOT-23 e WDFN-3.


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Exercícios:

1.1 – Para os TJBs abaixo, determina as tensões e para cada

transistor:

1.2 – Determina e para os circuitos abaixo:

1.3 – Para os circuitos abaixo, complete as tabelas com as informações solicitadas:

Para o circuito A:

Transistor VBE VCB VCE VB VC VE

Q1

Q2

Q3

Q4


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Para o circuito B:


Q1

Q2

Q3

Q4

1.4 – Baseado nos exercícios já realizados é possível que, em um transistor NPN, a ten-

são VC seja igual à tensão VCE ? Justifica.

1.5 – Nos circuitos do exercício 1.1, como estão polarizadas as junções JBE e JBC de

cada transistor? Considera tensões diretas abaixo de 0,4V como sendo polarização

reversa.

1.6 – Nos TJBs do exercício 1.2, como estão polarizadas as junções JBE e JBC? Conside-

ra tensões diretas abaixo de 0,4V como sendo polarização reversa.

1.7 – Qual é a relação fundamental das correntes em um transistor válida tanto para

TJBs NPN quanto para PNP?

1.8 – Qual é a relação fundamental das tensões em um transistor NPN?

1.9 – Escreve a relação fundamental das tensões em um transistor PNP.

1.10 – De acordo com a estrutura cristalina, quais são os dois tipos de TBJ?

1.11 – Desenha a estrutura e o símbolo de transistores NPN e PNP, identificando cada

uma de suas regiões.

1.12 – Como é possível a circulação de corrente entre coletor e emissor?

1.13 – Como a corrente de base controla a corrente de coletor de um transistor?

1.14 – Identifica os terminais e tipo dos transistores baseados nas medições abaixo.

Vermelha Preta Transistor 1 Transistor 2 Transistor 3 Transistor 4 Transistor 5

1 2 0,720 0,639 - - -

1 3 0,725 - - - 0,494

2 1 - - 0,423 0,693 -

2 3 - - 0,425 - 0,495

3 1 - - - 0,702 -

3 2 - 0,642 - - -


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1.15 – Identifica os encapsulamentos dos transistores na figura.

2. Configurações

Para que um transistor opere com amplificador, deveria ter 4 terminais: 2

para a entrada e 2 para a saída. Por possuir 3 terminais, um deles é comum à entrada e

à saída.

Configuração Transistor NPN Transistor PNP

Base Comum

Coletor Comum

Emissor Comum

Observa que, indiferente da configuração utilizada, a base sempre está li-

gado à entrada e o coletor à saída.

2.1. Base Comum

Nessa configuração, os terminais base e emissor são utilizados na entrada

do circuito e as saídas são os terminais de coletor e base.

O ganho de corrente em qualquer circuito é a relação entre a corrente de

saída e a corrente de entrada, para uma tensão de saída constante. Na configuração

Base Comum, o ganho de corrente em base comum, chamado (alfa) ou hFB, é dado

por:


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IE IC

RE RC

VCCVEE

VCBVEB

Base Comum NPN

IE IC

RE RC

VCCVEE

VCBVEB

Base Comum PNP

Como , o ganho é sempre inferior a 1. O valor típico para

transistores comerciais varia de 0,9 a 0,998.

Assim como o ganho de corrente, o ganho de tensão é a relação da tensão

de saída e a de entrada, para uma corrente de saída constante.

Como uma pequena variação de para causar uma grande variação de

, o ganho de tensão em base comum será muito alto.

O transistor pode ser utilizado como amplificador. Na configuração base

comum, o circuito é mostrado abaixo, juntamente com as tensões e correntes de en-

trada e saída.

vi

RE RC

VEE VCC

VEB VCB

ICIE

VEB

IE

IC

VCB

2.2. Coletor Comum

Na configuração coletor comum, a base é o terminal de entrada, o emissor

o de saída e o coletor é comum a ambos.


Luciano Braatz 14

IB

IE

RB

RE

VEE

VBB

VEC

VBC

Coletor Comum PNP

IB

IE

RB

RE

VEE

VBB

VEC

VBC

Coletor Comum NPN

O ganho de corrente, (gama) ou hFC, é dado por:

Como é a relação entre a maior corrente ( ) e a menor ( ), o ganho de

corrente na configuração coletor comum é o maior ganho que um transistor apresen-

ta.

O ganho de tensão é a relação da variação de em relação à de .

Como é igual à tensão de entrada menos a queda de tensão em JBE, o ganho de

tensão será sempre menor que 1. O ganho de tensão é dado por

Com a aplicação de sinal, o transistor se comporta conforme o circuito abaixo:

vi

RB RE

VBB VEE

VBC

IE

IB

VEC

VBC

IB

IC

VEC

2.3. Emissor Comum

Nesta configuração, os terminais de entrada são base e emissor e os de sa-

ída são coletor e emissor.


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IB

IC

RB

RC

VCC

VBB

VCE

VBE

Emissor Comum NPN

IB

IC

RB

RC

VCC

VBB

VCE

VBE

Emissor Comum PNP

O ganho de corrente, chamado (beta) ou hFE, é dado por:

O valor típico de se situa entre 20 e 1000. Um fator relevante na defini-

ção do é a espessura do cristal da base, tanto que os transistores de maior potência

têm um menor (20 a 100), porque nesses componentes as dimensões físicas dos

cristais são maiores. Assim, o cristal de base é mais espesso, o que aumenta a dificul-

dade dos portadores majoritários passem do emissor ao coletor.

O ganho de tensão para esta configuração também é alto, visto que uma

pequena variação em , gera uma grande variação em . O ganho é dado por:

Com a aplicação de sinal, o comportamento do transistor no circuito abaixo é:

vi

RB RE

VBB VCC

VBE

IC

IB

VCE

IB

IC

VCE

VBE


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2.4. Relação entre os ganhos de corrente das diferentes configurações

Relação entre e Relação entre e Relação entre e

3. Regiões de Operação

Na descrição de funcionamento do transistor, foi mencionado que JBE deve

ser polarizada diretamente e JBC inversamente. Isto é verdade para a operação como

amplificador. Entretanto, o transistor pode ser polarizado de outras formas que permi-

tem sua utilização em outras aplicações.

JBC Reversa Direta

A tabela ao lado mostra as combinações possíveis para a polarização das junções do tran-sistor, que geram quatro regiões de operação.

JBE

Direta Ativo Saturação

Reversa Corte Ativo Reverso

Região Ativa

A região ativa é caracterizada pela polarização direta de JBE e reversa de

JBC.

Transistor NPN

Transistor PNP


Luciano Braatz 17

Quando o transistor está na região ativa, a relação entre a corrente de co-

letor e a de base (ganho de corrente ) é praticamente linear e constante. A principal

aplicação do transistor na região ativa é como amplificador de pequenos sinais.

Região de Saturação

Para que o transistor opere na região de saturação, as duas junções devem

estar polarizadas diretamente.

Transistor NPN

Transistor PNP

Na região de saturação, o ganho de corrente não é mais linear. Isto ocor-

re porque a malha de saída não é capaz de suportar a corrente de coletor que o tran-

sistor é capaz de fornecer. Assim o ganho de corrente é reduzido pelo fator de satura-

ção ( ), dado por

Quando em saturação, as tensões e correntes no transistor costumam ser

acompanhadas pelo sufixo “sat”: . Em saturação, o tran-

sistor obedece às seguintes equações:

O transistor na região de saturação é utilizado como chave controlada ele-

tricamente, operando como chave fechada.

Região de Corte

A região de corte se caracteriza pela polarização reversa das duas junções,

ou seja, para transistores NPN, e , e para transistores PNP,

e ou e .

Como as junções estão polarizadas inversamente, o fluxo de corrente nas

junções é extremamente baixo (correntes de fuga). Idealmente, a corrente entre cole-

tor e emissor deveria ser nula.

A região de corte é utilizada para que o transistor funcione como chave a-

berta, complementando a região de saturação, para que o transistor opere como cha-

ve.

Exercícios:

3.1 – Determina a região de operação dos transistores do exercício 1.1.

3.2 – Determina a região de operação dos transistores dos circuitos do exercício 1.3.


Luciano Braatz 18

3.3 – O que é ?

3.4 – Como um transistor deve ser polarizado, para operar na região ativa?

3.5 – O que significa dizer que um transistor está operando na região de corte? Como

as junções devem estar polarizadas para que isso ocorra?

3.6 – Como se sabe que um transistor está operando na região de saturação? Em que

situação é desejável ter um transistor operando nessa região?

3.7 – Calcula Ib, Ic e Vc dos circuitos abaixo, para VBE=0,65V, e determina a região em

que o transistor está operando.

b=150

Rb470kW

Rc2,7kW

16V

Vc

(a)

b=150

Rb180kW

Rc2,4kW

12V

Vc

(b)

b=100

Rb510kW

R13,3kW

12V

(c)

3.8 – Dados , calcula o valor de VBB para:

a)

b)

c)

d) O transistor esteja em saturação ( ).

3.1. Operação como Chave

O transistor pode ser utilizado como uma chave de estado sólido, contro-

lando a circulação ou não de corrente em um dispositivo. Para isso, o transistor opera

na região de corte, quando atua como chave aberta, e na região de saturação, atuando

como chave fechada.

IB(sat)

IC(sat)

RB

RC

VCC VCC

VCE(sat)

RC

VCC

IC(sat)

IB=0A

IC=0A

RB

RC

VCC

VCC

RC

VCC

IC=0A

Chave Fechada Chave Aberta

Rc200kW

R11kW

12V

Vc

Vbb


Luciano Braatz 19

O transistor como chave é utilizada com frequência como driver de corren-

te, permitindo que circuitos digitais, que têm capacidade de corrente reduzida, acio-

nem cargas que exijam correntes maiores, por exemplo: LEDs, lâmpadas, relés, buz-

zers, etc...

Ao projetar um circuito que utiliza um transistor como chave digital, o ga-

nho de corrente deve ser dimensionado como 10% do ganho mínimo do transistor, ou

seja, . Caso não se tenha esta informação, a prática comum é considerar

. Esta condição é conhecida como saturação forte e é necessária para garantir

que o transistor se mantenha sempre em saturação, indiferente de eventuais variações

no ganho do transistor, devido a temperatura, desgaste, etc...

Exemplo:

Um circuito digital TTL deve acionar um LED, alimentado por 5V, quando

sua saída está em nível alto. Dados:

(tensão mínima em nível alto)

(corrente máxima em nível alto)

(tensão máxima em nível baixo)

(queda de tensão sobre o LED)

(corrente de polarização do LED)

(tensão entre coletor emissor com transistor saturado)

(tensão mínima necessária na JBE para operação do transistor)

(ganho mínimo do transistor)

Projeto do Resistor de Coletor:

Segundo a malha de saída

Para garantir a saturação, o fator de saturação é 10%, considerando o ga-

nho mínimo do transistor:

Portanto a corrente de base é data por

ATENÇÃO: Neste caso, a corrente de base é menor que a corrente máxima

disponível pelo circuito digital. Pode haver casos em que esta corrente seja maior, nes-

IB(sat)

IC(sat)

RB

RC

Vin

VCC

VCE(sat)


Luciano Braatz 20

sa situação, outro transistor com maior ganho deve ser utilizado ou devem ser utiliza-

dos mais de um transistor.

Projeto do Resistor de Base:

Em alguns casos, a carga a ser acionada pelo transistor requer um nível de

corrente muito elevado, que pode exigir correntes de base que o circuito da base não

pode fornecer. Uma alternativa é a utilização de um relé.

3.1.1. Relé

O relé é um interruptor eletromecânico que permite ligar ou desligar dis-

positivos, em corrente contínua ou alternada, sendo acionado eletricamente. A fonte

de alimentação do circuito de acionamento pode ser isolada

eletricamente da alimentação da carga acionada pelo elétri-

co.

As partes que compõe um relé eletromecânico

são:

Bobina: Constituído por fio de cobre em torno de um

núcleo de ferro maciço que fornece um caminho de

baixa relutância para o fluxo magnético. A bobina se

comporta como um eletroímã.

Armadura fixa: Suporte mecânico para a bobina. Em

relés de um pólo, substitui o contato móvel.

Armadura móvel: Parte metálica que é atraída pela

bobina, comutando os contatos.

Conjunto de contatos: Se dividem em 3 tipos:

C – Comum: Contato fixado na armadura móvel.

NA – Normalmente Aberto: Com o relé em repouso este contato fica aber-

to.

NF – Normalmente Fechado: Com o relé em repouso, este contato fecha o

circuito com o contato comum.

Mola de Rearme: A mola afasta a armadura móvel da bobina, quando desenergi-

zada.


Luciano Braatz 21

Terminais: Fazem a interface externa com o circuito elétrico da carga e de co-

mando, podem ser tipo Faston (como o da figura), para conexão em Bases ou em

placas de circuito impresso.

Quando a bobina do relé é energizada, um campo magnético se forma,

transformando seu núcleo em um ímã, que atrai a armadura móvel. Assim os circuitos

externos ligados aos contatos NA são fechados através dos contatos C, enquanto que

os circuitos dos contatos NF são abertos.

No momento da aplicação ou retirada da corrente na bobina do relé, uma

tensão contra eletromotriz é gerada. Essa tensão pode danificar o transistor, portanto

um diodo polarizado inversamente deve ser conectado em paralelo com a bobina do

relé (diodo flywheel) para dissipar essa energia, protegendo o transistor.

3.1.1.1. Simbologias:

C

NANF

C C

NF NA

Bobinas Contatos

O relé mais simples contém somente um par de contatos (C e NA ou C e

NF), mas podem chegar a vários conjuntos de contatos comutadores (C, NA e NF). Em

diagramas esquemáticos, os contatos não ficam necessariamente próximos às respec-

tivas bobinas. Basta que a referência da bobina e contatos sejam a mesma ou que exis-

ta uma linha tracejada entre a bobina e os contatos.


Luciano Braatz 22

CHRede

3.1.1.2. Especificações

As informações mais relevantes para a escolha de um relé são: tensão, re-

sistência e corrente na bobina e tensão e corrente máximas nos contatos. Abaixo são

listadas todas as especificações do relé A10-C10X.


Luciano Braatz 23

Exercícios:

Calcula o que se pede para cada circuito e verifica em qual região o transis-

tor está operando.

3.9 – Dado e , determina e

3.10 – Determina , para

.

3.11 – Determina , dado .

3.12 – Se , calcula .

3.13 – Determina , onde a resistên-

cia do relé é de 400W e o transistor tem e

3.14 – Calcula , onde:

Relé: 12V e 300W, LEDs: 1,8V e 18mA cada. transistor Ts1: e tran-sisistor Ts2:


Luciano Braatz 24

3.2. Operação como Amplificador

Para que o transistor funcione como amplificador, deve estar operando na

região ativa.

Embora seja suficiente que JBE esteja polarizada diretamente e que a ten-

são entre coletor e emissor seja maior que 0,2V, o ponto de operação do transistor

deve estar longe desses limites para que o transistor deve ser polarizado corretamen-

te.

4. Polarização do Transistor de Junção Bipolar

Seja qual for a região de operação do transistor, um ponto de operação de-

ve ser definido e o transistor deve ser polarizado, através da fonte de alimentação e

resistores dimensionados de forma a garantir que o transistor opere no ponto pré-

especificado (ponto quiescente, ou ponto Q). Os parâmetros de polarização do transis-

tor no ponto quiescente frequentemente são acompanhados do sufixo Q: , , ,

e .

Quando o transistor está operando como amplificador, o ponto de opera-

ção deve ser definido dentro da região ativa, mesmo com a aplicação do sinal a ampli-

ficar, que desloca o ponto de operação, para evitar distorções do sinal de saída.

A polarização do transistor tem um papel importante em garantir que e-

ventuais variações em parâmetros do transistor, mais especificamente o ganho b, não

alterem significativamente seu ponto de operação.

Cada transistor tem um valor de b específico, característico de sua fabrica-

ção, portanto na necessidade de substituição de um transistor, a mudança no ganho

pode afetar o ponto de operação, a menos que o circuito de polarização compense de

alguma forma essa variação de parâmetro.

Os circuitos de polarização mais comuns são:

4.1. Polarização por Base Fixa

O circuito mais simples, chamado de base fixa, é mostrado na figura.

RC

+VCC

IC

VCE

VBE

RB

IB

Corrente de Entrada ( )

Tensão de Saída ( )

O parâmetro b não está explícito em nenhuma das equações acima, entre-

tanto, se considerarmos sua definição: , a equação da malha de saída se torna


Luciano Braatz 25

Como não depende de , mas depende, eventuais variações em

influenciam diretamente a saída, não alterando a entrada.

Exercício:

Dado o circuito abaixo, verifica as alterações em devido às variações de

, com .

RC

2,5kW

+10V

RB

235kW

20 39,79A 795,7A 8,01V

40 39,79A 1,59mA 6,02V

50 39,79A 1,99mA 5,02V

75 39,79A 2,98mA 2,54V

100 39,79A 3,98mA 0,05V

4.2. Realimentação de Corrente

O circuito de realimentação de corrente, também chamada de polarização

estável de emissor, é baseado na polarização de base fixa, com a adição de um resistor

de emissor.

RC

+VCC

IC

VCE

VBE

RB

IB

RE

IE

Corrente de Entrada( )


Nesta polarização, tanto a malha de entrada quanto a de saída dependem

do parâmetro b, onde a corrente de base é inversamente proporcional ao ganho. As-

sim, diminui com o aumento de b, que diminui a influência de b sobre .


Luciano Braatz 26

Exercício:


, com .

RC

1kW

+10V

RB

235kW

RE

1,5kW

20 35,27A 705,4A 8,18V

40 31,70A 1,27mA 6,78V

50 30,18A 1,51mA 6,18V

75 26,93A 2,02mA 4,91V

100 24,32A 2,43mA 3,88V

4.3. Realimentação de Tensão

O circuito da figura abaixo é o circuito de polarização por realimentação de

tensão. Também é baseado na polarização por base fixa, mas o resistor de base é co-

nectado ao coletor do transistor, em vez da fonte de alimentação.


Tensão de Saída (

A tensão de saída pode ser analisada de duas

formas, pela malha de saída e através da relação fun-

damental das tensões do transistor.

Nesta polarização, a compensação ocorre através da realimentação da ten-

são de saída, pois o aumento da corrente de base eleva as correntes de coletor e emis-

sor, que reduz a tensão de saída, reduzindo a tensão sobre o resistor de base e a cor-

rente de base.

Exercício:

RC

+VCC

IC

VCE

VBE

RB

IB

IE


Luciano Braatz 27


, com .

RC

2,5kW

+10V

RB

180kW

20 40,43A 808,6A 7,98V

40 33,27A 1,33mA 6,67V

50 30,57A 1,53mA 6,18V

75 25,41A 1,91mA 5,24V

100 21,73A 2,17mA 4,57V

4.4. Realimentação de Tensão e Corrente

Esta polarização é uma mescla das duas anteriores, on-

de o resistor de emissor faz a compensação da corrente e a tomada

da tensão para a base no coletor, a de tensão.


Tensão de Saída (

A tensão de saída pode ser analisada de duas formas, pela malha de saída e

através da relação fundamental das tensões do transistor.

Exercício:


, com .

RC

1,5kW

+10V

RB

180kW

RE

1kW

20 40,43A 808,6A 7,88V

40 33,27A 1,33mA 6,59V

50 30,57A 1,53mA 6,10V

75 25,41A 1,91mA 5,17V

100 21,73A 2,17mA 4,51V

RC

+VCC

IC

VCE

VBE

RB

IB

RE

IE


Luciano Braatz 28

4.5. Divisor de Tensão

O circuito da malha de entrada dessa polarização pode ser substituído pelo

seu equivalente Thèvenin.

Corrente de Entrada ( )


A equação mostra que a corrente de base depende de . Assim quanto

maior , maior a parcela e menor , portanto ocorre uma compensação

que evita que aumente com o aumento de .

Exercício:


, com .

RC

1kW

+10V

R1

10kW

RE

1kW

R2

4,7kW

20 101,14A 2,02mA 5,85V

40 55,37A 2,21mA 5,51V

50 45,16A 2,26mA 5,44V

75 30,90A 2,32mA 5,33V

100 23,49A 2,39mA 5,28V

Comparação de VCE para variação de b entre as polarizações

Polarização Base Fixa 8,01V 6,02V 5,02V 2,54V 0,05V Realimentação de Corrente 8,18V 6,78V 6,18V 4,91V 3,88V Realimentação de Tensão 7,98V 6,67V 6,18V 5,24V 4,57V Realimentação de Tensão e Corrente 7,88V 6,59V 6,10V 5,17V 4,51V Divisor de Tensão 5,85V 5,51V 5,44V 5,33V 5,28V

VBE

RE

IE

RTH

VTH

IBRC

+VCC

IC

VCE

VBE

R1

IB

RE

IE

R2


Luciano Braatz 29

Exercícios:

Quando não informado, considera ou .

4.1 – Determina

4.2 – Determina

4.3 – Determina

4.4 – Calcula

4.5 – Determina

4.6 – Determina

4.7 – Calcula .

4.8 – Calcula


Luciano Braatz 30

4.9 – Determina a faixa de valores de , considerando os extremos do potenciômetro

de 1MW.

4.10 – Calcula

4.11 – Determina

4.12 – Calcula

4.6. Análise Gráfica

No projeto de um amplificador, a análise gráfica é uma ferramenta que po-

de auxiliar na escolha da melhor corrente de base e/ou coletor para polarizar o transis-

tor, além de facilitar o entendimento do transistor como amplificador. 100

80

60

40

20

00 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

IB=50A

IB=100A

IB=150A

IB=200A

IB=250A

IB=300A

IB=350A

IB=400A

VCE - Tensão entre Coletor e Emissor (V)

A

B

Q

Curvas Características em Emissor Comum

Ponto A: Corte

RC

RE

VCE=VCC

VCC

IC=0A

Ponto B: Saturação

RC

RE

VCC


Luciano Braatz 31

Um dos objetivos da análise gráfica é determinar a localização do ponto

quiescente, onde o transistor conseguirá apresentar uma excursão adequada para o

sinal a ser amplificado, em ambos os semiciclos. Para isso, uma reta deve ser sobrepos-

ta às curvas características do transistor. São necessários, pelo menos, dois pontos

para traçar esta reta.

Normalmente, o ponto Q deve ser posicionado na metade de , confor-

me a figura. O ponto Q define a tensão e as correntes e da polarização do

circuito.

A projeção do sinal de entrada rebatido para a saída é mostrado na figura

abaixo. Esta é uma forma de visualizar graficamente o conceito de amplificação reali-

zada pelo transistor.

A

B

QIBQ

Corrente

do Sinal

de Entrada

Tensão de Saída

Corrente

de Saída

A figura abaixo mostra a influência da escolha da corrente de base em um

determinado circuito.

A

B

Q2

IBQ2

Q1

IBQ1

Q3

IBQ3

Dos pontos de operação, o mais apro-

priado seria Q2, por estar próximo ao centro da reta e a distância entre as duas curvas de corrente de base acima e abaixo do ponto de operação são praticamente iguais.

O ponto Q1 está muito próximo ao ponto de corte, enquanto Q3, ao de satura-ção. Nos dois casos, existe uma assimetria entre as distâncias das curvas de corrente de base e as mais próximas acima e abaixo.

A escolha de e também influencia na qualidade do ponto Q, para

uma mesma corrente de base.


Luciano Braatz 32

VCC

VCC

(RC+RE)1

Q1

VCC

(RC+RE)3

VCC

(RC+RE)2

Q2Q3 IBQ

IBQ+IB

IBQ-IB

Devido a não linearidade das curvas de corrente de base, ao comparar a distância de a e de a se

percebe que o ponto é mais linear. O ponto ficou em um ponto tão próximo a saturação que faria com que o pico do semi-ciclo positivo ( ) desloca o ponto de

operação 2,5 vezes menos que o pico do semiciclo negativo ( ).

Os gráficos acima consideram um circuito com transistor NPN emissor co-

mum polarizado por divisor de tensão. As outras configurações e polarizações têm

funcionamento semelhante. Para o transistor PNP, a tensão utilizada no eixo das orde-

nadas é em vez de e a corrente é considerada positiva saindo do transistor,

enquanto que era positiva entrando no transistor NPN.

Nos casos da polarização por base fixa ou por realimentação de tensão,

onde não existe resistor de emissor, a equação do ponto de saturação é um caso espe-

cial da equação do ponto B, onde :

Para as configurações, o que muda são os parâmetros utilizados, mas o

formato do gráfico é semelhante:

Configuração Corrente de Entrada Corrente de Saída Tensão de Saída

Emissor Comum Coletor Comum Base Comum

4.7. Limites de Operação

Os valores máximos suportados

pelo transistor devem ser levados em consi-

deração na escolha de um transistor e na

escolha da localização do ponto Q, através da

análise gráfica de um circuito. Além disso, as

regiões onde e são,

respectivamente, as regiões de corte e satu-

ração. Para garantir o funcionamento na re-

gião linear, o transistor não pode operar nes-

sas regiões.

IC

VCEVCEo

ICmax

IB=0A

VCE(sat)

PD

Corte

Ativa


Luciano Braatz 33

A curva de dissipação de potência (área em verde) é determinada através

do cálculo da corrente no transistor, para alguns valores de através da expressão

Exemplo:

O transistor BC546 apresenta , e

IC

VCE5 10 15 20 25 30 4035 45 50 55 60 65

100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10 62,50

20 31,25

30 20,83

40 15,13

50 12,50

60 10,42

65 9,61

4.8. Procedimentos de Projeto

O projeto de circuitos de polarização com transistores consiste em dimen-

sionar os valores dos resistores a partir de parâmetros conhecidos, como tensões e

correntes desejadas e o do transistor. Entretanto, o projeto pode iniciar a partir de

informações mais especificas, como potência máxima a dissipar no transistor ou ganho

de tensão mínimo. Nesse caso, deve ser escolhido um transistor com capacidade de

dissipação da potência especificada e escolher o ponto de operação em que o produto

de e não ultrapasse essa potência. Podem ser utilizadas as técnicas de análise

gráfica e limites de operação para auxiliar na determinação do ponto de operação.

Para atingir determinado ganho de tensão, a tensão de alimentação deve ser dimensi-

onada levando em consideração que o ganho de tensão máximo em um circuito está

limitado a 20 vezes o valor da tensão de alimentação ( ).

Existem alguns fatores que estão fora do controle do projetista, como a a-

proximação dos valores dos componentes aos valores comerciais, a variabilidade dos

valores em função das tolerâncias (1%, 2%, 5%, 10%, etc..) e as condições ambientais.

Assim, muitas vezes, os valores pré-definidos de tensão e correntes podem se diferen-

ciar do previamente estipulado.

Existem algumas considerações que podem ser adotados nos cálculos da

polarização que amenizam os fatores citados acima:

1) Adotar uma tensão de aproximada da metade da tensão de alimen-

tação.

2) Definir a tensão de emissor entre 20% e 30% da tensão de alimentação.


Luciano Braatz 34

3) Assumir que , na polarização por divisor de tensão.

Exemplos

Projeta um circuito amplificador por divisor de tensão com ganho de ten-

são mínimo de 200, com corrente de coletor de 40mA, utilizando um transistor BC546

(considerando e ).

A partir das informações, o primeiro procedimento deve ser a definição

da tensão de alimentação do circuito, baseado no ganho de tensão:

Portanto, a tensão de alimentação mínima é de . É recomendado uti-

lizar uma tensão maior que a calculada, pois esta tensão possibilita um ganho má-

ximo de 200. Então, foi utilizada uma tensão de alimentação de , por garantia.

Para determinar os valores de e , se utiliza a apro-

ximação , já que é muito maior que .

Dentre as combinações dos valores comerciais, a mais adequada é:

Agora, considerando a corrente de base:

Assim as tensões de emissor e coletor ficam:

RC

RE

VCC

IC

IE

VCE


Luciano Braatz 35

A tensão entre coletor e emissor fica:

Considerando as correntes que passam pelos resistores do divisor de

tensão e a corrente de base, temos:

A equação tem 2 variáveis, então se atribui um dos

valores e se calcula o outro. Neste caso, foi atribuído

.

Os valores comerciais mais próximo são 6,8kW e 8,2kW. O valor escolhi-

do foi de 6,8kW.

É prática comum, fazer a análise do circuito

completo, para verificar as diferenças dos valores pré-

determinados.

R1

R2

VCC

IR1

IR2

IB

VB

RC

82W

RE

68W

12V

IC

IE

VCE

R1

6,8kW

R2

3,3kW

12V

IR1

IR2

IB

VB


Luciano Braatz 36

Os valores calculados do circuito projetado são levemente diferentes

dos valores pré-determinados, devido ao valor de R1 não ser exatamente igual ao

calculado. Como a diferença de valores é pequena, o projeto pode ser considerado

concluído. Se fosse grande, seria necessário atribuir outro valor para R2 ou R1 e

recalcular o circuito até chegar a diferenças aceitáveis.

Utilizando a análise gráfica, projeta um circuito polarizado por realimenta-

ção de tensão, com , e .

Conforme solicitado no enuncia-

do, as curvas características do transis-

tor devem ser utilizadas para determi-

nar o ponto de operação do circuito. O

enunciado também fornece alimenta-

ção e corrente de base.

Assim o ponto A – ponto de corte

– é a tensão de alimentação ( e

).

O ponto B – ponto de operação –

deve estar sobre a curva e,

conforme a consideração 1, deve ter

um de metade de :

100

80

60

40

20

00 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

IB=50A

IB=100A

IB=150A

IB=200A

IB=250A

IB=300A

IB=350A

IB=400A


B

A

C

9

26,2

52,97


Luciano Braatz 37

A corrente no ponto B é determinada graficamente: .

O ponto C – ponto de saturação – é necessário, para auxiliar no cálculo

do resistor de coletor, visto que a polarização por realimentação de tensão não

utiliza resistor de emissor. Este ponto é determinado graficamente, através da pro-

jeção da reta que passa pelos pontos A e B até o eixo da corrente de coletor. A cor-

rente de saturação é determinada graficamente: .

A corrente no ponto C é dada, genericamente, por

Neste caso, , e a corrente é , então

O valor comercial mais próximo para é .

Através da malha de entrada, pode ser determinado:

O valor comercial mais próximo para é .

Verificando a polarização:

O valor de não foi informado, mas pode ser deduzi-

do:

RC

18V

IC

IE

VCE

RB

IB

RC

330W

18V

RB

86kW


Luciano Braatz 38

As tensões e correntes calculadas na análise são bem próximas dos va-

lores esperados pelo projeto, então o projeto do circuito está concluído.

Exercícios

Para os exercícios abaixo, considera as seguintes curvas características,

quando necessário:

Transistor BC548 Transistor BC369

100

80

60

40

20

00 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

IB=50A

IB=100A

IB=150A

IB=200A

IB=250A

IB=300A

IB=350A

IB=400A


22 24 26 28 30

IC(mA)

1000

800

600

200

400

0VCE(V)0 2016 1814121082 4 6

Ib=4,0mA

Ib=3,6mA

Ib=3,2mA

Ib=2,8mA

Ib=2,4mA

Ib=2,0mA

Ib=1,6mA

Ib=1,2mA

Ib=0,8mA

Ib=0,4mA

4.13 – Projeta um circuito amplificador polarizado por realimentação de corrente

com ganho de tensão mínimo de 750, onde o transistor tem as seguintes

características: , ,

, e

.

4.14 – Projeta um amplificador polarizado por divisor de tensão, utilizando o

transistor BC369, com ganho mínimo de tensão de 125.

4.15 – Projeta um amplificador polarizado por realimentação de tensão e corren-

te, alimentado por , onde o transistor apresenta e

, com corrente de coletor de .

4.16 – Analisa o circuito ao lado e determina se a utilização do

transistor BC548 é adequada à aplicação. Caso contrário,

reprojeta o circuito para que se adeque ao transistor.

4.17 – A troca do transistor no circuito anterior pelo BC369 é

adequada, em relação aos limites de operação? Qual o

novo ponto de operação?

RC

300W

30V

RB

150kW

30V


Luciano Braatz 39

5. Transistores Especiais

5.1. Transistor Darlington

O transistor Darlington é uma combinação de dois transistores de junção

bipolares operando como um transistor com um “superbeta”. A característica principal

do transistor Darlington é que a composição do transistor atua como uma unidade

única, com um ganho de corrente que é o produto dos ganhos dos transistores indivi-

duais. Esse transistor é disponível comercialmente, mas pode ser montado com tran-

sistores discretos.

Simbologia:

Sendo e os ganhos dos transistores que compõem o Darlington, o

ganho de corrente total é

Se os dois transistores são iguais, com ganho , o ganho total é

Exemplo:

Qual o ganho de corrente fornecido por dois transistores ligados em Dar-

lington, um com ganho de corrente de 300 e outro de 180?

Esse tipo de transistor, costuma ser usado em aplicações de alta potência e

apresenta valores típicos diferentes do transistor bipolar comum. Por exemplo, o tran-

sistor TIP132, apresenta ganho da ordem de 500 para correntes de 1A e entre 1000 e

15000 , para correntes de até 4A. A tensão entre base e emissor é em torno de 2,5V e

a tensão entre coletor e emissor em saturação é de até 4V.

O transistor Darlington costuma ter duas utilidades principais:

Acionamento de cargas de alta potência (chave)

Neste circuito, o projeto é feito exatamente como no transistor como cha-

ve estudado anteriormente, só os parâmetros , e que mudam de um

circuito para outro:


Luciano Braatz 40

RB

Carga

Vcc

Vin

Amplificador de corrente na saída de amplificadores transistorizados:

Este circuito utiliza o circuito na configuração coletor co-

mum. Devido a grande diferença entre a corrente de coletor e a de ba-

se, a aproximação é feita. Assim a corrente de base do circuito é

determinada por:

Exemplo: Determina as tensões e correntes de polarização do circuito abai-

xo:

5.2. Foto Transistor

O foto transistor tem a estrutura cristalina idêntica ao do transistor de jun-

ção bipolar, diferindo no encapsulamento, que permite a incidência de luz sobre a jun-

ção base-coletor. A energia proveniente da luz libera portadores minoritários em JBC,

fazendo com que circule corrente entre coletor e emissor.

Dentre as aplicações do foto transistor, se destacam: leitores de cartões

perfurados, circuitos lógicos em computadores, controle de iluminação (em estradas),

indicação de nível, relés, sistemas de contagem, etc...

O símbolo do foto transistor, mostrado abaixo, é semelhante

ao transistor, exceto pelas setas apontando para a junção base-coletor,

que identifica a incidência de luz.

A figura abaixo representa a característica de saída de um fototransistor

comercial em função da densidade de fluxo luminoso irradiado H.

RB

RE

Vcc

b=8000VBE=1,6V

RB

3,3MW

RE

390W

18V


Luciano Braatz 41

Os foto transistores são apresentados tipicamente com encapsulamento

semelhante aos dos LEDS, quando somente os terminais coletor e emissor estão dis-

poníveis.

Existem versões com 3 terminais (base, coletor e emissor), onde é possível

conectar um resistor em paralelo com a junção base-emissor, que controla a sensibili-

dade do foto transistor. Quanto menor o valor do resistor, maior o fluxo luminoso de-

ve ser aplicado para que o foto transistor emita determinada corrente.

Os circuitos abaixo são exemplos de aplicações de foto transistores. No cir-

cuito da esquerda, a incidência de luz faz com que o foto transistor conduza, fazendo

com que a tensão vo baixe, enquanto que a ausência de luz faz o transistor entrar em

corte, fazendo com que vo fique igual a Vcc. No circuito do meio, a incidência de luz faz

com que a tensão vo suba, enquanto que sua ausência faz com que vo fique igual ao

potencial de terra. O circuito da direita tem funciona igual ao do circuito da direita. A

diferença está na presença de RBE conectado na base, alterando a sensibilidade do foto

transistor à luz.


Luciano Braatz 42

Vcc

Rc

Vcc

Rc

Vcc

Rc

RBE

vo

vo

vo

Os circuitos acima são usados frequentemente como sensores para circui-

tos digitais, portanto operam como chave, nas regiões de saturação ou corte, indican-

do a presença ou ausência de luz, respectivamente. Entretanto, o foto transistor fun-

ciona também como medidor de intensidade luminosa, em determinadas faixas de

intensidade, já que a corrente de coletor é função do fluxo luminoso incidente. Nesse

caso, o transistor opera na região ativa.

O que diferencia a região de operação do foto transistor para determinado

nível de fluxo luminoso é a escolha de RC.

região de saturação

região ativa

Exemplo: O foto transistor da curva característica mostrada anteriormente

é alimentado por 5V e é submetido a um fluxo luminoso de 3mW/cm2, qual o valor de

RC adequado para que o transistor sature com esse fluxo.

Baseado nas curvas, a corrente de coletor para tal fluxo é de 3mA, portanto

para o foto transistor saturar

5.3. Optoacoplador

O optoacoplador é um dispositivo que une, em um mesmo encapsulamen-

to, um LED infravermelho e um fotodetector, que pode ser um diodo, transistor, tran-

sistor Darlington, entre outros dispositivos semicondutores.

O encapsulamento típico é o de um circuito integrado, com vista em corte

conforme a figura abaixo. Os terminais do LED infravermelho ficam próximos à superfí-

cie superior do encapsulamento epóxi, enquanto que os do foto sensor ficam próximos

à superfície inferior. Entre os dois cristais semicondutores, existe um material isolante,

que permite a passagem de luz, como ar, plástico transparente ou vidro. Dessa forma o


Luciano Braatz 43

optoacoplador permite a transmissão de

uma informação de um circuito a outro sem

que haja contato elétrico entre eles, como

um transformador, mas com a vantagem de

transmitir sinais contínuos.

As conexões internas e encapsu-

lamento disponíveis para a família TIL11x é

mostrada abaixo.

Este optoacoplador apresenta as seguintes características, em modo de

operação normal:

Emissor (LED Infravermelho) Receptor (Foto Darlington)

VLED 1,2V VCE Max 60V

ILED 10mA IC Max 50mA

Tempo de subida: 50s, Tempo de descida: 100s

O tempo de subida e descida depende do fotodetector, sendo que o foto-

diodo tem resposta mais rápida, mas permite passagem de pequena corrente, o foto-

transistor tem tempo de resposta intermediário e corrente média e o foto Darlington

apresenta alta corrente de saída, mas com resposta mais lenta.

Os optoacopladores são utilizados para transmissão de informações digitais

entre duas partes de um circuito que não devem ter contato elétrico entre si. A isola-

ção entre a entrada e a saída de um optoacoplador varia de 1kV a 10kV. Exemplo de

aplicações de optoacopladores são: sensor de cruzamento por zero da rede elétrica,

sensor e atuador de placas de centrais PABX que fazem a interface com linhas telefôni-

cas, transmissão da leitura do nível de tensão de saída de uma fonte chaveada para o

circuito de controle no lado de alta tensão de fontes chaveadas.

Isolante (Ar, Plástico, Vidro)

LED Infravermelho

Fotodetector


Luciano Braatz 44

Exercícios

5.1 O que é um transistor Darlington? Quais suas as principais aplicações?

5.2 Qual o ganho de um conjunto Darlington se os ganhos dos transistores são

500 e 350?

5.3 O circuito ao lado utiliza um transistor Darlington co-

mo chave. Dados

, e , qual o valor

de ?

5.4 Qual o ganho mínimo necessário para que o transistor

da figura ao lado esteja saturado se ,

, e

? Qual a potência dissipada pelo transistor em saturação?

5.5 Como a corrente circula entre coletor e emissor de um foto transistor com

2 terminais? Como ela é controlada?

5.6 Qual a função do terminal de base em um foto transistor?

Usa as curvas acima para os exercícios 5.7 e 5.8.

5.7 Projeta um circuito, alimentado por 5V, que gere uma tensão de 2,5V para

um fluxo luminoso de 4mW/cm2 e que a tensão cresça com o aumento do

RB

RL

VCC

Vin


Luciano Braatz 45

fluxo. Determina a tensão para cada um dos fluxos luminosos presentes no

gráfico. O foto transistor satura para algum dos fluxos, se VCE(sat)=0,3V?

Quais?

5.8 Qual o valor do resistor que faz com que um foto transistor sature com um

fluxo de 3mW/cm2, se alimentado por 12V?

5.9 O optoacoplador do circuito abaixo fornece uma corrente de coletor de

7mA, para uma corrente de 16mA no LED, com tensão de 1,2V. Determina

os valores dos resistores, para que ele sature ( ) quando a

tensão de entrada for de 3V.

5.10 O circuito abaixo é um detector de passagem da tensão por zero. O circuito

composto B1, RZ e Z1, acondiciona a tensão da rede para tensão máxima de

forma que a tensão fique na faixa de 0 a 12V. Determina RLED e RC, dados:

.

220Vac 12V/1W

RZ

3,3kW RLED

RC

5V

6. Bibliografia

BOYLESTAD, R.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. 10

ed. Rio de Janeiro: Pearson Prentice Hall, 2004.

SEDRA, A. S.; SMITH, K. C. Microeletrônica. 5 ed. São Paulo: Pearson Prentice

Hall, 2007.

TOOLEY, M. Circuitos eletrônicos: Fundamentos e aplicações. 3 ed. Rio de Janei-

ro: Elsevier, 2007.

MALVINO, A. P.. Eletrônica. 1 ed. Vol. 1 São Paulo: McGraw-Hill, 1987a.

MALVINO, A. P.. Eletrônica no laboratório. 1 ed. Vol. 1 São Paulo: McGraw-Hill,

1987b.

R1

R2

5V

vo

0V/3V

1

2 4

56


Luciano Braatz 46

Apêndice I – Respostas

1.1.a)

1.1.b)

1.1.c)

1.1.d)

1.1.e)

1.1.f)

1.1.g)

1.1.h)

1.2.a)

1.2.b)

1.3.a)


Q1 0,7V -0,5V 0,2V 0,7V 0,2V 0,0V

Q2 0,0V 13,6V 13,6V 0,2V 13,8V 0,2V

Q3 0,2V 12,2V 12,4V 0,2V 12,4V 0,0V

Q4 0,7V -0,5V 0,2V 13,8V 13,3V 13,1V

1.3.b)


Q1 0,0V -12,6V -12,6V 14,0V 1,4V 14,0V

Q2 0,7V -0,5V 0,2V 1,4V 0,9V 0,7V

Q3 0,7V -0,5V 0,2V 0,7V 0,2V 0,0V

Q4 0,0V 13,1V 13,1V 14,0V 0,9V 0,9V

1.5)

A B C D E F G H

JBE Direta Direta Inversa Inversa Direta Direta Direta Direta

JBC Inversa Inversa Inversa Direta Direta Direta Inversa Inversa

1.6)

A B

JBE Direta Direta

JBC Inversa Inversa

1.14) Transistor 1: NPN, Base(1), Coletor(2) e Emissor(3)

Transistor 2: PNP, Base(2), Coletor(1) e Emissor(3)

Transistor 3: NPN, Base(2), Coletor(1) e Emissor(3)




Luciano Braatz 47

3.7.a) Região Ativa

3.7.b) Região de Saturação

3.7.c) Região Ativa

3.8.a)

3.8.b)

3.8.c)

3.8.d)

3.9)

3.10)

3.11)

3.12)

3.13)

3.14)

4.1)

4.2)

4.3)

4.4)

4.5)

4.6)

4.7)

4.9)

4.10)

4.11)

4.12)

5.2)

5.3)

5.4)

5.7) → ; Satura para

5.8) →

5.9)

5.10)

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