Aula 14.1 - Transistor como Chave

Muitas vezes é necessário ligar uma carga maior como uma lâmpada ou um motor a um circuito de baixa potência, por isso, dependendo da aplicação podemos empregar o uso de um rele para “chavear” esta carga com a alimentação correta que além de isolar estágios.

Para calcular um resistor para acionar um transistor (driver) e então através dele acionar um rele o qual alimentará uma carga muito maior. Primeiramente precisamos definir o que iremos ligar, feito isto definimos qual será a corrente de coletor (Ic), ou seja, a corrente da carga: No exemplo temos um rele 12Vdc. Em média o consumo de corrente de um componente deste fica em torno de 20mA.

Com este dado podemos calcular a corrente de base (Ib), que é a corrente que o transistor precisa para conduzir e então acionar a carga desejada (o rele). A fórmula é: Ib=Ic/hfe

Este novo dado apresentado (hfe) é um dado de datasheet, porém o mesmo pode ser adquirido efetuando a medida em multímetros digitais, esta medida é o ganho do transistor.

Sabendo-se o consumo da carga, procuramos por um transistor que suporte a corrente exigida, com isso encontramos o código do respectivo componente, em nosso caso um BC548 é mais do que suficiente. Observando os dados do fabricante podemos concluir que: O transistor suporta uma tensão de no máximo 30V, e uma corrente de coletor de no máximo 500mA. É visível que ele servirá em nossa aplicação e poderá “trabalhar” com folga.

Calculamos agora a corrente de base. Voltando a fórmula anterior, preenchemos os valores e em hfe inserimos o mínimo valor (menor ganho) que ele pode oferecer (ou seja, na pior das hipóteses). Portanto:

Ib=20mA/110 temos Ib=181µA

Notamos então que são necessários apenas 181µA para fazer o transistor saturar (conduzir 12V/20mA), como a tensão de base e emissor fica em média em torno de 0,7V podemos calcular o resistor, para isso a tensão que deve ficar em cima do resistor é tudo além do necessário na base, então: Vrb=Vcc-0,7V=11,3V. Seguindo o princípio da lei de ohm: R=V/I temos: R=11,3V/181µA=62KΩ.

Para garantir a saturação, na prática admitimos uma corrente cerca de duas vezes maior na base, utilizamos portanto um resistor cerca de duas vezes menor.

Por fim, concluímos que comercialmente podemos usar um resistor de 56KΩ. Não faria questão de calcular a potência do resistor afinal a corrente é muito pequena e qualquer resistor padrão de 1/8W(125mW) serviria. De qualquer forma, segue: Pr=Vr*Ib=2mW

A função de D1 é proteger o transistor do pico tensão ocorrido quando desligamos o solenóide do rele, assim evitará que o transistor queime quando o mesmo ocorrer.
© Direitos de autor. 2018: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 10/11/2018

Aula 14 - Região de Funcionamento de Transistores

Em cada transístor bipolar existem duas junções que irão apresentar regiões de funcionamento diferentes, as junções base-emissor e base-coletor se encontram polarizadas direta ou inversamente.

Os transístores têm três áreas de funcionamento distintas:

Corte - Ambas as junções estão polarizadas inversamente;

Saturação - Ambas as junções estão polarizadas diretamente;

Ativa - Junção base-emissor polarizada diretamente e junção base coletor polarizada inversamente.
Podemos trabalhar com a chamada curva característica de entrada. Nesta curva, para cada valor constante de VCE, variando-se a tensão de entrada VBE, obtém-se uma corrente de entrada IB, resultando num gráfico com o aspecto apresentado abaixo.
Observa-se que é possível controlar a corrente de base, variando-se a tensão entre a base e o emissor.
Através desta curva, podemos definir três estados do transístor, o CORTE, a SATURAÇÃO e a ATIVA
CORTE: IC = 0
SATURAÇÃO: VCE = 0
ATIVA: Região entre o corte e a saturação.
Para a configuração Emissor Comum a relação entre a corrente de saída e a corrente de entrada determina o ganho de corrente denominado de b ou hFE (forward current transfer ratio). O ganho de corrente b não é constante, valores típicos são de 50 a 900.
A utilização do transístor nos seus estados de SATURAÇÃO e CORTE, isto é, de modo que ele ligue conduzindo totalmente a corrente entre emissor e o coletor, ou desligue sem conduzir corrente alguma é conhecido como operação como chave.

A figura abaixo um exemplo disso, em que ligar a chave T e fazer circular uma corrente pela base do transístor, ele satura e acende a lâmpada. a resistência ligada a base é calculado, de forma que, a corrente multiplicada pelo ganho dê um valor maior do que o necessário o circuito do coletor, no caso, a lâmpada.
Veja que temos aplicada uma tensão positiva num transístor NPN, para que ele sature, conforme mostra a figura.

Os Limites dos Transístores

Os transístores, como quaisquer outros dispositivos têm suas limitações (valores máximos de alguns parâmetros) que devem ser respeitadas, para evitar que os mesmos se danifiquem. Os manuais técnicos fornecem pelo menos quatro parâmetros que possuem valores máximos:
Tensão máxima de coletor - VCEMAX
Corrente máxima de coletor - ICMAX
Potência máxima de coletor - PCMAX
Tensão de ruptura das junções
Na figura há exemplos de parâmetros de transístores comuns.
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Aula 13.4 - Transistor Darlington

O Transistor Darlington nada mais é do que a ligação de vários transistores com a finalidade de aumentar o ganho. O ganho (HFE) total do Darlington é a multiplicação dos ganhos individuais de cada um dos transistores.
Se ligarmos dois transistores do mesmo tipo (PNP ou NPN) da forma indicada na figura, poderemos ter um circuito em que a amplificação final será o produto das amplificações dos transistores usados. Por exemplo, se usarmos dois transistores com ganho 100, o circuito formado terá ganho 100 x 100 = 10 000!

Podemos fabricar num mesmo invólucro dois transistores já ligados desta forma, de modo a termos um "super transistor" ou um transistor "Darlington".

Os transistores Darlington são muito úteis quando se deseja alta amplificação, já que o segundo transistor do par pode ser feito de modo a conduzir correntes intensas. Assim, os Darlingtons de Potência podem controlar correntes muito intensas a partir de sinais fracos. O aspecto externo de um transistor Darlington é o mesmo de um transistor comum.

Só podemos saber que se trata de um Darlington pelo seu número, consultando um manual. Por exemplo, o TIP31 é um transistor comum enquanto que o TIP120 é um transistor Darlington de potência. As especificações desses transistores são as mesmas dos transistores bipolares comuns.
Vantagens: Maior ganho de corrente; tanto o disparo como bloqueio são sequenciais e a queda de tensão em saturação é constante.

Desvantagens: Utilização apenas com médias frequências e médias potências.
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Aula 13.3 - Transistor em Base Comun

A ligação de um transistor em  base comum é uma configuração de um transistor na qual sua base é ligada ao ponto comum de entrada e saída de sinal do circuito.

Esta montagem é utilizada de forma menos frequente do que as outras configurações em circuitos de baixa frequência e é utilizada para amplificadores que necessitam de uma impedância de entrada baixa. Como exemplo temos o pré-amplificador de microfones.

É utilizado para amplificadores VHF e UHF onde a baixa capacitância da entrada e da saída é de importância crítica.

Quando um transístor bipolar é ligado em base comum, o quociente entre a corrente de colector (Ic) e a corrente de emissor (Ie) recebe o nome de ganho de corrente estático da montagem base comum e é indicado pela letra grega α (ALFA). Temos: α=Ic/Ie

Características de um amplificador com transístor em base comum: IMPEDÂNCIA DE ENTRADA: entre 10 ohms e 100 ohms. IMPEDÂNCIA DE SAÍDA: entre 100 K ohms e 1M ohms. AMPLIFICAÇÃO DE CORRENTE: é um pouco inferior à unidade (entre O,95 e O,99).Portanto, neste tipo de circuito não há amplificação de corrente. AMPLIFICAÇÃO DE TENSÃO: entre 500 e 5.000 vezes. AMPLIFICAÇÃO DE POTÊNCIA: entre 100 e 1.000 vezes. RELAÇÃO DE FASE: não há desfasamento entre a tensão do sinal de saída e a tensão do sinal de entrada.
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Aula 13.2 - Transistor em Coletor Comun

A configuração coletor-comum permite altos ganhos de corrente enquanto um ganho de tensão unitário. Por possuir alta impedância de entrada e baixa de saída é normalmente utilizado como buffer de tensão. Nessa configuração o sinal de entrada se encontra na base e o de saída no emissor, o que garante um sinal de saída sem inversão de fase. A polarização recomendada para o BJT nesta configuração é a polarização por divisor de tensão, exatamente comoanteriormente.

A maneira mais prática de fazer o cascateamento é o acoplamento direto entre o dois amplificadores, um coletor-comum e o outro emissor-comum. Desta forma o nível de tensão CC do coletor do primeiro estágio polarizará o segundo estágio não necessitando assim de resistores de polarização. No circuito ao lado, o primeiro estágio verá como carga a resistência de entrada do estágio coletor-comum. Uma boa aproximação para o valor da resistência de entrada é a carga multiplicada pelo fator b de Q2.

A eficiência do amplificador é definida pela razão entre a potência eficaz entregue a carga e a potência CC média consumida da fonte de alimentação. A Classe A de amplificação permite uma eficiência máxima teórica de 25%, o que pode ser facilmente comprovado, observando as máximas excursões de sinal de saída e a potência CC drenada para esse caso.
Características de um amplificador com transístor em colector comum: IMPEDÂNCIA DE ENTRADA: de 100 K Ohms a 1M Ohms. IMPEDÂNCIA DE SAÍDA: de 50 Ohms a 5000 Ohms. AMPLIFICAÇÃO DE CORRENTE: de 10 a 100 vezes. AMPLIFICAÇÃO DE TENSÃO: é menor do que 1. Neste tipo de amplificador não há amplificação de tensão. AMPLIFICAÇÃO DE POTÊNCIA: de 10 a 100 vezes. RELAÇÃO DE FASE: não há desfasamento entre a tensão do sinal de saída e a tensão do sinal de entrada. 

Aula 13.1 - Transistor em Emissor Comum

Um amplificador apresenta altos níveis de tensão e ou corrente, baixa sensibilidade (alto ganho). A classe A de amplificação possui como característica uma operação em 360° do ciclo de trabalho. O Transistor de Junção Bipolar está caracterizado por uma polarização no centro da região linear.

Nos amplificadores de Potência Classe A são usados transistores com alta capacidade de dissipação de calor (transistores de potência – famílias BD, TIP) e é necessário a utilização de dissipadores de calor. Os transistores de potência apresentam em geral baixo HFE. A melhor forma de se polarizar um transistor para operar em Classe A é a polarização por divisor de tensão, por se apresentar maior estabilidade o que nos garantirá uma ponto quiescente estável no centro da região linear.

Pode-se instantaneamente escrever três importantes malhas do circuito: 

Equação 1 - Vcc = VR1 + VR2; 

Equação 2 - VR2 = Vbe + VRe;

Equação 3 - Vcc = VRc + VCE + VRe;

Escolhendo valores adequados para os resistores podemos fazer com que essa polarização adquira estabilidade térmica. Um aumento da temperatura de junção do transistor causará um aumento na corrente de coletor o que fará com que o transistor dissipe mais potência e aumentará a temperatura de junção o que, consequentemente, fará a corrente do coletor aumentar ainda mais. O resistor de emissor fará com que cada vez que a corrente de coletor aumente a corrente de base diminua, pois VRe aumenta. Para uma boa estabilidade térmica utiliza-se VRE aproximadamente 1/10 de VCC. 

Para que o amplificador funcione perfeitamente em sinais alternados foram adicionados os capacitores Cs, Ce e Cc. O capacitor Cs tem como função bloquear qualquer sinal CC na entrada que poderia mudar a polarização do BJT. O capacitor Cc também bloqueará um sinal CC: Vce fazendo com que na saída só haja o sinal de entrada amplificado. Ce, por sua vez, terá como função fazer o emissor o terra para os sinais de entrada e saída, sem, contudo, influenciar na realimentação CC de Re. As retas de carga serão determinadas pelas malhas AC e CC do coletor:

No gráfico percebe-se que os limites para o valor de pico do sinal será Vceq e Icq.rc, assim o menor deles deverá ser considerado como menor excursão de pico para o sinal de saída.

O ponto para operação com maior eficiência (P.O.E), deverá ser posicionado no centro da reta de carga CA, o que poderá, na prática, ser feito utiliza-se VCE aproximadamente 1/2 de VCC. A eficiência do amplificador é definida pela razão entre a potência eficaz entregue a carga e a potência CC média consumida da fonte de alimentação. A Classe A de amplificação permite uma eficiência máxima teórica de 25%,
Características de um amplificador com transístor em emissor comum:
IMPEDÂNCIA DE ENTRADA (Ze): É igual ao quociente entre a tensão de entrada (Ee = tensão CA do sinal de entrada) e a corrente de entrada (Ie = corrente CA do sinal de entrada). A impedância de entrada está compreendida entre 10KΩ e 100KΩ
Ze=Ee / Ie 
IMPEDÂNCIA DE SAÍDA (Zs): É igual ao quociente entre a tensão CA do sinal de saída (Es), quando a saída esta em vazio (isto é, Is = 0) e a corrente CA do sinal de saída (Is), quando a saída está em curto-circuito (Es =0).A impedância de saída esta situada entre 10Ke 100K.
Zs= Es (saída em vazio)  /  Is (saída em curto)
AMPLIFICAÇÃO DE CORRENTE (Ai): é o quociente entre a corrente CA do sinal de saída e a corrente CA do sinal de entrada. A amplificação de corrente está compreendida entre 10 e 100 vezes.
Ai = Is / Ie 
AMPLIFICAÇÃO DE TENSÃO (Av): é o quociente entre a tensão CA do sinal de saída e a tensão CA do sinal de entrada. A ampificação de tensão está situada entre 100 e 1000 vezes.
Av = Es / Ee
AMPLIFICAÇÃO DE POTÊNCIA (Ap): é igual ao produto entre a amplificação de corrente e a amplificação de tensão. A amplificação de potência está compreendida entre 1.000 e 100.000 vezes.
Ap = Ai x Av 
RELAÇÃO DE FASE: Ocorre uma defasamento de 180° entre a tensão do sinal de saída e a tensão do sinal de entrada (180° = 180 graus).
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Aula 13 - Transistor de Junção Bipolar

A função dos transistores é amplificar corrente. Eles podem ser usados ​​para amplificar a corrente de saída de um CI lógico de modo que possa operar de uma lâmpada, relé ou outro dispositivo de alta corrente. Ao circular corrente em uma resistência provoca uma queda de tensão de modo que o transístor pode ser utilizado para amplificar a tensão.
Um transistor pode ser utilizado como um interruptor ( saturação - com a corrente máxima, ou  em corte - totalmente sem corrente) ou como um amplificador. A quantidade de amplificação de corrente é chamado de ganho, hfe.
Existem dois tipos de transistores, NPN e PNP, com símbolos diferentes. Os terminais são chamados de base (B), colector (C) e o emissor (E).

Darlington é a configuração com dois transistores ligados em conjunto para dar um ganho muito elevado de corrente.

Além do transistor de junção bipolar (BJT) , existem transistores de efeito de campo (FET). Eles têm símbolos de circuito e propriedades diferentes.
Códigos de transistores
Existem três principais séries de códigos transistor utilizados:
1 - Códigos começando com B (ou A), por exemplo, BC108, BC478. A letra B primeiro é para o silício, A é para germânio (raramente usado). A segunda letra indica o tipo, por exemplo C significa frequência de áudio de baixa potência, D significa frequência de áudio de alta potência; F significa frequência de rádio (RF) de baixa potência. O resto do código identifica o transistor. Não há nenhuma lógica óbvia para o sistema de numeração. Por vezes, uma letra é adicionada ao final (por exemplo, BC108C) para identificar uma versão especial do tipo principal, por exemplo, um maior ganho de corrente ou um estilo diferente de encapsulamento. Se um projeto especifica uma versão de maior ganho (BC108C) ele deve ser usado, mas se o código geral é dado (BC108) qualquer transistor com esse código é adequado.
2 - Códigos começando com TIP, por exemplo TIP31A. TIP refere-se ao fabricante: Texas Instruments e é um transistor de potência. A letra no final identifica versões com classificações de diferentes tensão.
3 - Códigos começando com 2N, por exemplo 2N3053. A inicial '2 N 'identifica a peça como um transistor (2 junções) e o resto do código identifica o transistor particular. Não há nenhuma lógica óbvia para o sistema de numeração.

Teste de transistores bipolares: Com o Multímetro Analógico é possível verificar se o transistor está aberto ou se está em curto. Para efeito de teste, um transistor bipolar pode ser considerado equivalente a dois diodos ligados em oposição. O teste é realizado com um multímetro na escala de resistência. Em geral, usamos a escala Rx10 ou Rx1 e, a resistência é baixa na polarização direta e alta na polarização inversa. Considerando a equivalência para o tipo NPN as junções emissor/base e coletor/base diretamente polarizadas devem apresentar resistência baixa. As junções emissor/base e coletor/base estão inversamente polarizadas devem apresentar alta resistência. Na medição entre coletor e emissor, a resistência deve ser alta nos dois sentidos.

Um defeito comum em transistores de potência é curto entre coletor e emissor, que pode ser detectado por esses testes. Lembrar que certos tipos de transistor podem ter diodo interno entre emissor e coletor e também resistência interna entre base e emissor, mas o curto citado é observado pela baixa resistência em ambos os sentidos.
O transistor de junção bipolar é o transistor mais importante do ponto de vista histórico e o mais utilizado. No entanto, há outros transistores: Transistor de efeito de campo (FET, “Field Effect Transistor”), transístores de junção unipolar (UJT), os transistores MOSFET (“Metal Oxide Semicondutor Field Effect Transistor”), e os CMOS (“complementary MOSFET”), os quais são muito usados na circuitos integrados de alta densidade.
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