PRÁTICA 5: TBJ OPERANDO COMO CHAVE Darieldon de Brito Medeiros
[email protected] Resumo – A prática consiste em verificar o funcionamento de um transistor TBJ tipo NPN como uma chave fechada na região de saturação, e chave aberta na região de corte. Palavras - chave – TBJ, Chave, Saturação.
I.
INTRODUÇÃO
O TBJ opera em quatro modos de operação, sendo eles o modo ativo, inverso, saturação e corte. O modo ativo ocorre quando a junção base-emissor está diretamente polarizada, ou seja VBE é superior a tensão de limiar (0,7V), e a junção base-coletor é inversamente polarizada. Neste modo o TBJ funciona como um amplificador de sinal de tensão. Neste modo vale a relação do β em relação à corrente de coletor e a de emissor. O modo inverso ocorre quando a junção base-emissor é reversamente polarizada e a junção base-coletor está diretamente polarizada. Este modo não é utilizado pelo fato de que o coletor e o emissor não suportarem os mesmos níveis de tensão suportadas no modo ativo, então isso gera uma possível queima do componente. O modo de saturação ocorre quando ambas as junções estão diretamente polarizadas, logo isso produz um efeito de uma chave fechada com uma pequena queda de tensão (0,2V para transistores de silício). O modo de corte ocorre quando as duas junções estão polarizadas reversamente. Com isso, temos que o TBJ irá operar como uma chave aberta. A seguir na figura 1, há a representação do TBJ nos modos de saturação e de chave.
Fig. 2. TBJ operando como chave aberta
Fig. 3. TBJ operando como uma chave fechada.
II.
METODOLOGIA
A) Materiais Utilizados
Fig.1. Representação Simbólica do TBJ como chave. Para uma aplicação de chave, o TBJ deve somente estar polarizado no modo de saturação para chave fechada e no modo de corte para chave aberta. A seguir nas figuras 2 e 3, temos os circuitos de análise para o modo de saturação e de corte para o TBJ operando como chave.
Multímetro; Osciloscópio; Fonte de tensão CC; Fonte de sinal; Transistor NPN BC548; Resistores de 15 KΩ e 5,6 KΩ; Protoboard; Jumpers;
B) Procedimento Experimental. Durante a prática, foi montado o circuito mostrado na figura 4, mostrada a seguir.
Fig. 4. Circuito montado durante a prática. A partir deste circuito e do uso de simulações, montou-se o circuito experimental. Para isso, as fontes Vbb e Vcc foram desligadas. Para isso, teve que ser calculado os valores das resistências de base e de coletor, para isso, foram utilizadas as equações 1 e 2 para isso. 𝑉𝑏𝑏−𝑉𝑏𝑒 𝑅𝐵 = (1) 𝐼𝑏
𝑅𝐶 =
𝑉𝑐𝑐− 𝑉𝑐𝑒𝑆𝐴𝑇 𝛽. 𝐼𝑏
(2)
Onde Vbb, é a tensão aplicada na base com amplitude de 2,2V e Vcc, a tensão aplicada no coletor. Vbe é a tensão entre coletor e emissor, que é uma junção pn (diodo), logo é aproximadamente 0,7V. Ib neste caso é 100µA que foi obtido através do método das correntes de malha, e o VCEsat é a tensão de coletor-emissor no modo de saturação, que para o transistor BC548 é de 0,25V. Com esses valores, foram obtidos os valores de Rb de 15kΩ e o Rc de 5,875kΩ. A partir destes valores, temos como calcular os valores de VRc, e de Vce. No modo de saturação, temos que o Vce saturado é de 0,25V, como o emissor está aterrado, então a tensão no coletor é de 0,25V. Então o valor de VRc é dado pela equação 3. 𝑉𝑅𝑐 = 𝑉𝑐𝑐 − 𝑉𝑐 (3) Logo, o valor de VRc é igual a 11,75V. No modo de corte, não há corrente, então VRc=0V logo Vcc=Vc, logo Vc=12V, e como o emissor está aterrado, logo Vce=12V. Após isso, foi ligada a fonte de tensão Vbb que gera uma onda quadrada, e foi ajustado o valor da sua tensão para que fosse polarizada a junção base-emissor do TBJ, a fonte de tensão contínua Vcc, foi ajustado o seu valor entre 0 e 15V aplicado ao circuito de saída, para observar com um osciloscópio as formas das tensões de saídas de VRc, Vce, e Vcc. III.
Fig. 5. Circuito Simulado através do Multisim Os valores de Rc e de Rb foram calculados no tópico anterior. A partir desta simulação, foi obtida as formas de onda correspondentes a Vbb, Vce e VRc. A seguir nas figuras 6, 7 e 8 são mostrados os gráficos de Vbb, Vce e VRc, respectivamente.
Fig. 6. Forma de onda simulada da tensão Vbb simulado.
Fig. 7. Forma de onda simulada da tensão Vce simulado
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Neste tópico será mostrado os gráficos obtidos por meio de simulação e os gráficos experimentais obtidos a partir do osciloscópio. A comparação destes dados será feita mais detalhadamente na conclusão. A seguir na figura 5 temos o circuito simulado através do software Multisim.
Fig. 8. Forma de onda simulada da tensão VRc simulado.
Nesta prática, a corrente de base foi fixada em aproximadamente 100 µA. Com isso foram obtidas as formas de onda de Vce e de Vbb experimentais. Não foi obtido o VRc experimental, devido a ponteira de referência do osciloscópio, pois ela pode ser ligado somente à terra do circuito, e o resistor Rc não está conectado ao terra do circuito, mas o seu valor experimental pode ser calculado pela Eq. (3), logo VRc é uma forma de onda quadrada com amplitude de aproximadamente 12V. A seguir a Fig. 9 e a Fig. 10 mostram as formas de onda das tensões Vbb e Vce obtidas durante o experimento, respectivamente.
3) Determine as perdas de condução do TBJ usando a curva característica Ic = f(Vce). Resposta: Na situação de chaveamento perdas são possíveis, durante a condução e no estado em que está desligado. Em baixas frequências há poucas perdas, sendo expressa a seguir: 𝑃𝑜𝑓𝑓 ≅ 𝑉𝑐𝑐 × 𝐼𝑐(𝑓𝑢𝑔𝑎) × 𝑇𝑜𝑓𝑓 × 𝑓𝑠 As perdas com o chaveamento contínuo causado pela fonte de 2,2V e 10kHz de frequência, aumentam com a frequência de comutação. 𝑃𝑐𝑜𝑚𝑢𝑡𝑎çã𝑜 ≅
𝑉𝑐𝑐 × 𝐼𝑐(𝑚𝑎𝑥) × 𝜏 × 𝑓𝑠 6
Onde: Vcc: tensão de polarização do coletor (fonte de 12V) Ic (max): máxima corrente de coletor τ: duração do transitório de chaveamento (τ = ton ou τ = toff) fs: frequência de chaveamento
4) Pesquisar a respeito dos tipos de encapsulamento.
Fig. 9. Forma de onda de Vbb experimental.
Fig. 10. Forma de onda de Vce experimental.
IV.
Resposta: Os transistores apresentam diversos tipos de encapsulamento, onde os mais comuns são TO-92, TO-220 e TO-3: TO-92: É um encapsulamento pequeno e muito utilizado em amplificadores para pequenos sinais. A seguir na figura 11, temos uma imagem deste encapsulamento
QUESTÕES
Fig. 11. Encapsulamento TO-92. TO-220: Este encapsulamento é utilizado para dissipação de potência. A seguir, na figura 12 temos uma imagem para este encapsulamento.
1) Traçar as formas de onda de tensão experimental e simulada para o TBJ: Vbb, Vce e VRC. Resposta: As formas de onda simuladas e experimentais já foram apresentadas em Resultados e Discussão.
2) Comente detalhadamente a respeito das curvas traçadas na questão 1 tomando como referência o comportamento do circuito e a curva característica do circuito de saída. Resposta: Na parte de metodologia, temos os valores de Vce e de VRc. Com esses valores é possível prever os valores tanto simulados como experimentais.
Fig. 12. Encapsulamento TO-220.
TO-3: Este encapsulamento é utilizado para grandes potências. O seu dissipador de potência está conectado ao coletor. A seguir, na figura 13 temos uma imagem para este encapsulamento.
Fig. 13. Encapsulamento TO-3 5) Pesquisar a respeito das principais especificações do TBJ encontradas na folha de dados dos fabricantes de modo que o componente trabalhe como chave. Resposta: Para operar como uma chave, o TBJ deve operar nas regiões de saturação ou de corte. Para o datasheet do fabricante Fairchild, tem especificado os seguintes valores: Ic=10mA, Ib=0,5mA e Vcesat=0,25V. O β forçado é o valor do ganho para a região de saturação que é dado pela razão de Ic com Ib, logo o β é de 20. E ainda o Icbo=15nA (Para Vcb=30V e Ie=0V)
Fig. 14. Dados fornecidos pelo fabricante para o BC548 6) Pesquise aplicações que fazem uso do TBJ funcionando como chave. A seguir na figura 14, temos uma imagem de uma parte do datasheet. Resposta: Existem várias aplicações para TBJs operando como chave. Um deles é funcionar como portas lógicas como a porta AND, ou OR, das famílias 74XX. São muito utilizados em construção de microprocessadores, como chaveadores em multiplexadores internos. V.
CONCLUSÃO
A tensão do resistor de coletor (VRc), mencionada anteriormente em resultados e discussão, não foi obtida, dado que a ponteira de referência do osciloscópio pode ser ligado somente ao terra do circuito, e com isso o valor “experimental” de VRc foi estimado através de Vcc e de Vce.
Como não haviam resistores de 5,875kΩ, logo foram utilizados dois resistores em série, um de 5,6kΩ e um de 270Ω em série. Os valores simulados e experimentais são bem próximos, pelo fato de os resistores utilizados em prática são bem próximos dos resistores calculados, com isso houve uma certa precisão na medição dos valores. Mas a tensão aplicada no transistor gera um aumento de temperatura, fazendo com que influencie na tensão de base-emissor, assim, afetando a medição. Mesmo assim, o experimento ocorreu de uma maneira esperada pela teoria, sendo que o TBJ no modo de saturação realmente funciona como uma chave fechada com uma pequena queda de tensão, e quando está em modo de corte funciona realmente como uma chave aberta. As formas de onda simuladas e experimentas foram semelhantes, e com o Vbb sendo um sinal de onda quadrada, o TBJ funcionou como uma chave que comuta a uma frequência de 10kHz REFERÊNCIAS [1] Robert L. Boylestad, Louis Nashelsky, “Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos”, 8º Edição, Prentice Hall, 2004. [2] A. Sedra, K. Smith. Microeletrônica. Pearson Prentice Hall, 5ª edição, 2007.
