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"

3. TRANSISTOR BIPOLAR

., .

OBJETIVOS

Estudar 0funcionamento e aplica~ao do Transistor Bipolarsimples de chaveamento (foto-reles, temporizadores e

estudar os fotoacopladores.

em circuitostermostatos) i

PARTE TEoRICA

1. LEITURA AUXILIAR (1]: 3.1 (introdu~ao),

transistor), 3.3 (opera~ao), 3.4 (a<;:ao(configur;a<;:aobase-comum), 3. ' "6 (configurac;:ao(capacidades maximas), 3.10 (fabricac;:ao)e 3.11

3.2 (construc;:ao

amplif~cadora),em issor-comum) ,(encapsulamento).

do

3.53.8

2. CONCEITOS E INFORMACoES' FUNDAMENTAlS:

.,transistorpolarizada

como amplificadordiretamente e

de tensao: jun<;:aojunc;:ao base/coletor

base/emissorpolarizada

inversamente;

o ganhos de corrente a e ~;

• curvas ~aracteristicas Ic x Vce e Ib x Vbe

o equa~l~ de Ebers-Moll

3. RESUMD D AI T EO RI A

:r "UU"l/.) 0w",: :8ifw.taA.:

sendo:dispositivo de tres camadas (PNP au NPN) ,

o base a camada central, mais estreita que as externas (rela<;:ao de150:1. tipicamente)1

• emissor a camada externa que forma uma jun~ao PN com a base;jun~ao normalmente opera em polariac;:aodireta,

esta

&coietor a outra camada externalem polarizac;:aa reversa paraamplificador de tensao.

a jun<;:ao PN base-coletorque 0 transistor opere

operacomo

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3.2

:F~~ CQffl.Q .sr1~1!.

• Condi~5es: 1) jun~ao base-emissor polarizada diretamente2) jun~ao base-coletar polarizada inversamente

J:£

v~-=-I

- - = - 'Ic.c.

T• Implica~5es:

Da condi~ao (1), a resistencia base/emissar e pequena (10-200 0);

Da condi~ao (2), a resistencia base/coletor e elevada (100k~lMO)j

• Opera~ao (transistor NPN,como exemplo);

A corrente (de eletrons) injetada no emissor par VEE atinge a baseque, sendo estreita e pouco dopada, possui uma reduzida capacidadede "abserver" eletrons. Se a po"i.ariaa9a.o reversa do. jun90.0

base-co "i.eor for suficientemente a"i.ta,os eletrons nao recombinadosna base serao atraidos para a potencial positivo de vee,

atravessando a alta resistencia da jun~ao base/coletor.

Tipicamente, de cada 100 eletrons que atingem a base. vindos doemissor. apenas 99 chegam ao coletor. Na pratica, pode-seconsiderar que a mesma corrente que circula pela jun~aobase/emissor circula pela jun~ao base/coletor. Em conseqUencia, uma

pequena varia~ao de tensao AVbe provoca uma alta varia~ao de tensaoAVcb. ja que a jun~ao base/emissor PQssui baixa resistencia e ajun~ao base/emissor possui alta resist&ncia. Dai se define 0 eanho

de tensQa como Av = AVcb/AVbe.

o nome transistor dado ao dispositivo, origina de sua capacidade de

"transferir" uma corrente de uma regiao de baixa resi.t@ncia a umaregiao de alta resitencia, i.e., 0dispositivo e urn resistor de

transjerencia au ~sfer-resistor.

(1) Ie=

Ib + Ie

(2) Ie = a-Ie:::: Ie (a: 0,9 ... 0,99), donde:

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3.3

de (1) e (2) vem:

(3 ) Ic = ~ - lb. ((3 : 100cnde ~ = a/(l-a) cu

900)a= (3/«(3+1)

(4) Ie = «(3+1)·Ib ~ (3- Ib

Como as fabricantes especificam 0ganho de correntedenominado hFE por motivos expostos na proxima aula,as egua~6es de uso pratico:

fl, normalmentesao as seguintes

IIC = (3- Ib ~ Ie

Rela~ao entre Ie e Vbe (Egua~ao de Ebers-Moll):

(5 ) Ic = Is. [e Vbe I ( kT1g ) 1]

I I ~ : ~:~:~e~!v:~e~~~~ ) 60 mV)

1- . --------i., temperatura absolutaconstante de Boltzmancorrente de fUga (base~coletor)

au, de forma simplificada. a temperatura de 25°C,

f 3 .0 0

• •

I 'VCI!:-4.0V

IJi It 1

I ! I, I

," , ,

_ LI I:

II I t

k

:ral

f~1-

:.r r

vt ..f :

.0

'tc

, ." "

. .,.

-O .t",. _ _ .o,!, 1.0

:p~ ~.(> e ~&O:

• Ganho de corrente «(3ou hFE): varia· bastante para transistores·"iguais"; tamb~m varia com a corrente e temperatura;

• Corrente maxima de coletor: Ic(max)

• Maxima tensao reversa entre coletor e emissor (com a basedesconectada): Vceo

• Maxima potencia dissipada no coletor (~ ICm~~·Vceo)

• Valor minima de Vce: Vce(satura~ao) ~ 0,3V

.--------~ ..----

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3.4

..

no ._ ....

~:NPH~C

.. .!,~.~ ·1···. 9 PHI' I ',_

~~ . ..

. ." . - ;x :BC I . 5i~l& E

. \ " , ' ; - c < - .•

8ft-.'!"'

:~ TI~'"..rl._!". • .:

•. c • ~ Q . J > ~ -'Q1 ~ :

1

.." ~. rt ee :;::;~~i •

• " ~ -0 •

EXf;"PlOS.. ',"

. ; . : . < - - -Hf '1I P H I ' -. _- ( .EXE"P~D EXE"PLOS [XENPLOS

ae,..s BCe~8 "~F4~~ I IIPNI IIPH PHI' "I'll ; PlOP

ec~u . ' 8C~S7,

. 11129 , . T IP 3D" e- eP13~ BO)JS' T,1'31 .1132eC~48 . Be~~D ~",.",: .. ,DOI3? 00138 TIP~I • ~ T~-:-42

BCS49 be ~" ~,1.:j eD139 eDl~O TIP 4~

9'6'.te-(U;Q~~: enc:apsulamento di 1 ("dual in 1inetl) de 6 pinos,contendo urn fotodiodo e um fototransistor. E usado para acoplamentoentre circuitos rnantendo 0 isolamento eletrico entre as partes

acopladas. Como exemplo, tern-se0TIL 111, onde 0acopiamento otico efeito com infravermelho:

S c . G

E o 5 4

E L ~ . E J (VI,S"tU D£ C.IMA)

It ~.3

A k. Me t~R. l CDC'>I~C.T"bQ)

4. ANALISE DE CIRCUITOS

4.1. POLARIZAC~O COM CORRENTE DE BASE CONSTANTEEsta polariza~ao, como todas as polariza~5es utilizadas na pratica,emprega apenas uma fonte de alimenta~ao. A chamada Polariza~ao com

Corrente de Base Constante tem, entretanto, 0inconveniente de serdependente do valor de ~ (ou hFE), que e urn parametro cujaespecifiea~ao e dada eom uma tolerancia muito grande, como pode servisto nas especifica~6es em anexo. U rn cireuito eom polariza~ao

dependente 'de ~ pode exigir ajustes sernpre que 0 transistor fortrocado.

• Determinar lb, e 0ponto quieseenterelativos ao circuito abaixo;

<Ie e Vee), para os dados

1. ) "cc.":. sv

~9= 350~

2c::: 2,2.1/.4.

/3 = tOO

2.) Ide .W., Its = . 3 ,5 I ! - I Z . .

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3.5

4.2. FOTO-RELE 1

~ Quando 0LOR esta iluminado, sua resistencia e baixa (~2000); acorrente de base deve ser dimensionada para que a corrente decoletor seja suficiente para "operar" 0rele;

• Quando0

LOR esta no escuro, sua resistencia e elevada (~ 1MC), aCQrrente de base e reduzida, assim como a corrente de caletro,consequentemente, 0rele desoperai

~ 0 diodo protege 0transistor contra tensoes reversas geradas nodesligamento do rele.

4.3 FOTD-RELe: 2

- LOR iluminado ~ R pequeno ~ Vbe < 0,6 V ~ Ie ~ 0 (transistor'-OR

"cortado" )• LOR no escura ~ R alta ~ Vbe > 0,6 V ~ Ic e elevada

'-OR

(transistor "saturado": Vce ~ 0,3V).

- - ' 1 '

4.4 TEMPORIZAOOR

s1 ligada (t=O): Ib e maxima ~ Ic e maxima (opera rete);

~ t> 0: ·capacitor vai carregando ~ Ibvai diminuindo ~ Ic diminui;~ quando Ie < Imnt <corrente de manuten~ao do rele): rele desopera.

• 0 capacitor deve ser descarregado (curto-circuitado) para 0

circuito funcionar novamente (jndesejavel)!

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3.6

4.5 PISCA-PISCA

• si Iigada (t=O); capacitor descarregado ~ Vbe = 0 ~ Ic ~ 0 (reledesoperado) ;

• t)O: capacitor carrega ~ Vbe aumenta ~ Ic aumenta;

• quando Ic = lop (corrente de opera~ao do rele); rele opera ~LED acende;

• rele opera ~ capacitor e descarregado <resistor R2) ~ Vbe~ Ic diminui ~ rele desopera (LED apaga) ~ capacitorcarregar (cicIo 5e repete indefinidamente);

diminuivolta a

4.6 ESPELHO DE CORRENTE (opcional)

• trata-se de uma fonte de corrente constante

• usado nos circuitos internos da maioria dos Circuitos IntegradosLineares;

• Vbel = Vbe2 ~ lei = (Vcc-Vbel)/Rl = lee

• Q2 "ajusta" seu Vce

• deficiencia; se Qi for aquecido ligeiramente~ Vbel aitera pouco(-2mV/~C) e lsi aitera (aumenta) ~ Ici praticamente nao altera.Vbe2 altera (cai) ~ Ic2 diminui

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3.7

P A R T E E X P E R I M E N T A L

1. MATERIALlnstrumentos:

- Multimetro Analogico- Osciloscopio- Fonte de Alimenta~ao

Componentes:- transistor (BC639 NPN)- Resistores 1/8 W: 3300. 2,7KO, 4,7KO

LDR. LED, rel~. diodo 1N414a

2. EXPERIMENTOS

2.1 0 RELE ELETROMECANICOa) Pe~a ao professor para lhe explicar

mostrando 0 significado da corrente

corrente de manuten~ao (Imnt).

o funcionamento dode opera~ao (lop)

rel~,e da

s

b) Determine 0valor de lop e Imnt. utilizando 0circuito abaixo:

2.2 OPERANDO UM RELE COM UM TRANSISTOR

a) Calcule Ri para que 0 rel~ seja operado quando afechada; assuma Ib ~ Iop/40, onde 40 e 0 minimo valortransistor (confira nas especifica~6es).

chave fordo ~ do

ec 6:!.:r :

~

tfi)&c:.E S

23

, c B l~i~)

(F{E1I\k. )

b) Monte 0circuito e verifigue 0funcionamento (cologue um LED sendoacionado pelos contatos do rele)

c) Com 0transistor conduzindo (saturado), determine Vce(sat), lb. Iee /3'(sat).

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3.8

2.3 FOTO-RELe:

a) Determine a resistencia do LDR no claro e no escuro;

b) Monte 0circuite, verifigue 0funcionamento e me~a 0 valor deVce(satura~~o) e Vce(corte).

NOTA: se a ilumina~ao estiver fraca em sua bancada. utilize umalanterna para iluminar 0LDR.

5"3

2.4 FOTO-ACOPLADOR

NOTAS:1) No circuito proposto 0transistor do foto-acoplador esta ligado

em cascata com 0transistor Q2; esta configura~ao e conhecida p~rDarlington. sendo Ie2 = ~i·P2·Ibl;

2) Houve a neeessidade desta liga~ao porque 0foto-aeoplador nao e capaz de fornecer a corrente

opera~ao do rele (da ordem de 100mA).

transistorda ordem

dode

a) Monte 0 eireuito e opere 0 rele acendendofoto-acoplador com 0ohmimetro analogico;

o diodo do

r----.----.,

@5v

(:;MO'i~ I ~.... t .....

I+ 2 t

- - , ~

.•'- J

3, QUEST6ES

a) Determine lb. Ie e Vee para os circuitos dados a seguir, assumindo

que 0 valor de ~ = 1004

Se, assumindo-se ~ = 100, 0valor calculado de Vce for negativo (0

que nao e possivel), 0 transistor estara saturado, dondeVce = Vce(sat) ~ O,3V. Nesta condi~ao, nao e necessario saber-se 0

valor de ~ para analisar 0 circuito. A titulo de curiosidade,consulte a curva hFE x Ie (item 3 da parte teoriea) e observe adependencia de hFE com a corrente de coletor.

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3.9

---~,~

Sv

6e. 63i

t 3 s"t ,.,20

' : ~ , . 0 0

=

b) Explique 0funcionamento do TERMOSTATO esquematizado abaixo. queprocura manter a temperatura do liquido no recipiente num dadovalor.

DICA: observe que 0 NTC (resistencia com Coeficiente deTemperatura Negativo) determina a tensao Vbe que, por sua vez. serelaeiona com Ie (equa~ao de Ebers-Moll).

I

t ~~~lod . C ! J I I \ . l c o ..to -,:' 1 '11. .( . . \ f l1 ! i lA M . c .o~

\i¥,Ao o..~!' )

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C··~~~':~~~~~~~i:~:?··'", - ~ . "

ANEXO 3

~:-~>~~?:~

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BC639

T ra nsis to r N PN d e S ilfcio d e u so g era l {Ib ra pe } - C o mp le me nta r: B C 6 40 .

Caracteristlcas:

VoeQ...................•...................... 80V

1 0 . • • • • . • .• . • • • • • .• • • • . • • • • • .• - • • • • • . .. • .• . • . • •• • • 1 A

ProT (250C ) 1W

hFE O c : : 150 mA) .40 - 16 0

~ (tip) ~ : 130 MHz

BC640

T ra nsis to r P NP d e S ilfcio d e u sa g era l Q bra pe ) - O orn ple rn en ta r: 8 C 63 9

Caracteristlcas:

VcEo 80V

Ic 1 A

Prot (25" C) 1W

hFE O c = 150 mA) .40 - 16 0

tr ( t ip ) 50 MHz

cr:~~~~ SOTS4IB)E

T1P2955

T ransisto r P NP de P ote ncla - T e xas

PT=90W

hFE = 20 a 7 0 ( 4V {4 A)le.= 15A

VCEO::70V

VCBO = 100V

TIP2955

Transis tor PNP d e P ot€m cia - T ex as

Ie:: 15A

YCEO::70V

YCBO:: 100V

Pr=90W

hFE :: 20 a 70 (4V/4A)

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8D136 - 8D138 - 8D140

INVOLUCRO

SOT-~2

E C B

8D136 8D138 80140

-V CBO (m~xJ 45 60 100 V

-VCEO (maxI 45 60 80 V

-IC M !m ~x) 1,5 1,5 1,5 A

PTOT (maxI 8 8 8 W

TJ (max) 150 150 150 °c

hFE40 40 40 min

25 0 160 160 m ax~

75 75 75 MHz'T (tfpical

NPN-S0T32

O R IV E R, 5A foA O E A UD IO , T V

8D135 - 8D137 - 8D139

8D135 8D137 . a0139..

V C B O max 45 60 100 Vo l t s

V C E O m ~ 45 60 80 Vo l t s

PT O T m ax 8 8 8 Watts

hFE40 40 40 m in

250 160160

maxI cmax 1 1 1 Ampere

TIP29

NPN - SIl .iCIO

AM P1 .I FI CA C AO D E P OT eN C IA , C O M UT AC A O

TIP29 TIP29A TIP29B TIP29C

VCBO max . 4 0 6 0 80 100 Volts

VCEO max . 40 60 80 100 Volts

PTOT max 30 30 30 30 Watts

hFE15 15 15 15 m in

75 7 5 7 5 75 max

'c max 1 1 1 1 Ampere

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BF494

TRANSISTOR NPN

DE SILiclO PARA RF

30V

20V

30mA

500mW115

260 MHz

V C B C )(m ~1 ...•.....•...• . ..•..•.••••..•....

V CEO (m~ l . • •. • •• . •• • •• • •• • •• • •. • •. .. .• . •• • .

IC [m ;!xl ...•••.••.••.••••.• , •..• , ••.••••..••

PTOT (max) •••••••• _ •••••••••••••••••• ,., •••••

hFE Itrpico) • • • . • • • • . . • . • . • • . • • • • • • • . • . . , • • • • • •

fT {tI 'p ic o; ••• ". '" •• , ••• , • , • '" •• -,.." ~ .~ ••••••• - ••• -". , •

2N3055

NPN 0 1 ; ; SJ~i!;IO DE ALTA POTEN!;I"

BASE VISTO POR BAIXO

10GV

15A

115W

20·70

> 800 kHz

Ie rnex , ••••••• , ••.•••••••••••••••••• " ••••

PTOT (mmd .••....•.......•...••..•..•......

hFE .,." ••• , ••••••••..•••••••••..•. , ..•••

fT ....................................•..

3.43

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T IL 711Fonte Infravermelha (diodo de arsene-to de gallo) optlcarnente acoptada aurn fOlotranslstor NPN de slllclo_ Coma lta re ta ca o d e transferllOciade corren-te continua e terminal de base providepara polarlza<;ao cOllvenclonill do tran-etstcr. Elevada tensao de tsctacao ela-

t rlc a ( 1,5 k V) a a lia v e lo c ld ad a de cornu-ta<;l lo - tiplca de 2 us. Encepsulamen·. to ptaetlco DIP de sels pinos.

'.

plnagem (vista par cirna)

® @0

•

100

",~.o..fv - = ~-~~r g '

Esquema Interno ~« ;: 1 =' . I II 1:=

r". .clJ"'C I

I/0 ,~ ~ :1~: ', .. I§ - - -F!--f- 1- -

lI : I 1 = = . · I·~ ·k '! - . . :

• §:_vt:r: . /Ov

i~ . ; t 2 ~

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tiI·-l-

I

OJF -= - h~ ~.:

n:: i p f - r=:::- r.:.~ F'-- - E

f--~ . · i r - - = : = f-~

Q.IIa, D".' I .. PO . . f r O 100

1 0' (; (( - r,,,sAo (;~1'DIf •• MI~$0" tVI

CARACTEAisTICAS ElETRICAS(A temperatura oe 25°q

I

2'· anodtdo_ ldiodo intra- vermetho. ca 0 0 ,

3. nao conectado

~ fototranslstor4. emissor

5. cotetor6 . base

QQIftt((N76 "r;oUirQn K 111"11" ~ 6TO tt ~

.or-<T-r~--~~~~~--~~

oCE:t:±:r::±::ct:t:t:1olt ••• IO I ...... 1lfJ

1ft ;(( - rt1lW ~PII- (VI

PARAMETROS eondiC;Oe~de tasteumnss

MIN 'IIP MAXUnldadas

V(BR)CBOtensao de ruptura Ie pA, IE. = : 0, 70 Moase-ccretor IF " 0

VIBRfEO

tsnsao Clelupluta Ie - 1 rnA, Ie .. 0, 30 (V)

cctetcr-emrsscr IF" 0

V[BRIEBOtensao de r1jplura I e - 10~IA,Je" 0, 7 (V)

omlssor·base IF " 0 .•

opara!;ao do toto- vC E - 0.4 V IF

'CIon)Iranstslor = 16 rnA IR =: 0

2 7 (mAl

operaC;aodo lott)- vca - 0,4 V IF -dioao lemA IE " 0

10 20 !,uA)

I opara~ao du toto- vcs =10 II IF =: 0,

Iqoif)Iranslslor !B '" 0

1 50

opora«llo do 1010 - vee =: 10 V,IF =: 0 0,1 20 [riAl_

01000 Ie '" 0

H F E (beta)VCE '" 5 'I, Ie '" 100 :lOG

= 10 mA, IF ::. 0

v~ Ia n sA!)dliOla 'F ::; 16 rnA

_ .1.2 1,4 {V )

_9CE.(ital)Ie :: 2 ti;ii, IF =:

-- HI rnA Ie '" 0

0,25 0,4 (V )

~BS~~1!~ltlncl€l Inlem!! dQIi ."dl l l l60rl l ~lIldll . . . . ES 01 .: t 1 , 1 ' i k V 1011 (n)

aSS 1'l~~~llllHl:I~ t l ' " ... _ ..

~nI(aoa para saiOa Ves =: O. I '" 1 MH7 1 1,3 (pF)

r ,,I

·1

-------.~- .---.~~-.---

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L DR(F ot orre sisto r) n ao Em ca psu la do (T ecn oY ia tt) · - : . '

I)= 2 7 1 1 > 1 1 1

. J~, f,. .. _ •

R es iste nc ia n o c i~ r o . . . . . . . . . . . . . . . . . - ; . . .~ Resistencia no escurc • • • .. . • • • • • • • • • • • ' . ;. • •

Po tencia d is si pada (m ruc ) •••••••••••••• _ ~_~••

Tensao de surto (max) ~ •••••••••••••• _ .~ •••

P iC o espectra l e res posta • • • • • • • • • • • •• :_ .: ••.•

. .

5k a 40k ohms

5Mohms

600mW

2500V

5600A

TlL78

F o to -t ra ns ls to r NPN d e SU fc io - T e xa s Inst .

( C ompat iv e l c om 0T IL 3 2 e T lL 90 2 - e mlsso re s)

Carac: ter is t icas:VC E (max ) . .. .. •• •• ; • • . •• .• •• • •. •• .. .• • •• •• 50 V

Ptot 50 roW

C orrente no escuro (max) 1 00 nA

C orrente no claro ( tip) 1 ! . t AV C E (SA 1) ; O .4 V ~ ip)

CQ!.ETOR

" ...SSOR