8/2/2019 Trabalho 3 - Eletrnica

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS GERAISDEMEC- Departamento de Engenharia Mecnica

JOO CARLOS FERREIRA MILAGRES2009018944Turma N3

EletrnicaAula 03 Transistores

BELO HORIZONTE

2012

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Simulao 1 Transistor como chave

IntroduoTransistor bipolar um elemento semicondutor bastante utilizado em eletrnica e

constitudo por trs materiais semicondutores dopados. Dois cristais tipo n e um tipop

ou dois cristais tipop e um tipo n. O transistor tem duas junes, uma entre o emissor e a

base, e outra entre a base e o coletor. Por causa disso, um transistor se assemelha a doisdiodos. Toda a abordagem desse relatrio ser para um transistornpn.

Considerando o esquemtico abaixo, o lado negativo de cada fonte de tenso est

conectado ao emissor. Neste caso denomina-se o circuito como montado em emissor

comum. O circuito constitudo por duas malhas. A malha da esquerda que contm a

tenso entre a base e o emissor V(2) e malha da direita que contm a tenso entre o

coletor e o emissor V(3).

Existe uma relao entre a corrente na base I(R1) e a tenso entre a base e o

emissor V(2) e a curva obtida I(R1) x V(2) obviamente se assemelha curva de um diodo

polarizado diretamente, uma vez que a fonte V1 est polarizando o diodo emissor

diretamente.

possvel se obter tambm uma relao entre a corrente no coletor I(R2) e a

tenso entre o coletor e o emissor V(3), representada na curva abaixo com suas

respectivas regies:

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A parte inicial da curva chamada de regio de saturao. Nessa regio, o diodo

coletor est polarizado diretamente e, portanto, perde-se o funcionamento convencional

do transistor, com este passando a funcionar como uma pequena resistncia hmica entre

o coletor e emissor. Na regio ativa, uma variao na tenso da fonte V2 no influencia

no valor de I(R2) que se mantm constante; a parte final a regio de ruptura e deve ser

evitada, pois danifica o transistor.

Para cada valor de corrente na base I(R1) obtm-se uma curva transladada nadireo vertical. Portanto tm-se uma famlia de curvas que relacionam I(R2) e V(3),

conforme figura abaixo.

Ento, para se definir I(R2) e V(3) constri-se uma reta de carga dada pela

equao : I(R2) = (V(4)-V(3))/R2 e sobrepondo-se esta reta com a famlia de curvas

citada acima obtm-se os valores de I(R2) e V(3) para uma corrente na base fixada I(R1).

O ponto de operao Q varia conforme o valor de I(R1). Um aumento no I(R1) aproxima

o transistor para a regio de saturao, e uma diminuio leva o transistor regio de corte(ponto onde a reta de carga intercepta a curva I(R1) =0). Nesse ponto a corrente do

coletor I(R2) muito pequena. A interseo da reta de carga e a curva I(R1SAT)

chamada saturao. Nesse ponto a corrente no coletor mxima.

A utilizao do transistor como uma chave, implica em operao na saturao ou

no corte e em nenhum outro lugar ao longo da reta de carga. Quando o transistor est

saturado, como se houvesse uma chave fechada do coletor para o emissor. Quando o

transistor est cortado, como uma chave aberta.

A corrente de base controla a posio da chave. Se I(R1) for zero, a corrente de

coletor prxima de zero e o transistor est em corte. Se a corrente de base I(R1SAT)

ou maior, a corrente no coletor mxima e o transistor satura.

Desenvolvimento

Dados:Fonte de entrada = V1 = Pulso, 5Vpico, 50Hz, ciclo de trabalho 50% On, 50% OffFonte de polarizao V2 = 12 VdcR1 = 1 kR2 = 470 Transistor Q1 = NPN

Tempo de amostragem: 5 perodos = 5*(1/50Hz) = 0,1sIntervalo de captura: 1u

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A partir do esquemtico mostrado na introduo, obtm-se as formas de onda de

tenso na fonte V(1), na base V(2) e no coletor do transistor V(3):

Obtm-se tambm a corrente na base I(R1) e no coletor I(R2):

Os grficos plotados demonstram o princpio de funcionamento do transistorapresentado na introduo. Quando a tenso na fonte V1 5V, existe corrente na baseI(R1), o transistor est na regio de saturao e funciona como uma pequena resistncia

hmica entre o coletor e emissor. A tenso no coletor do transistor V(3) de 56mV neste

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caso e para uma corrente de I(R2)= 25,4 mA, a resistncia entre o coletor e o resistor de2,2 . Esta situao faz com que o transistor aja como uma chave fechada.

Quando a tenso na fonte V1 zero, no existe corrente na base. Neste caso, otransistor est em corte e funciona como uma chave aberta, o que implica que a correnteque chega ao coletor I(R2)=0. Pela lei das malhas temos que V(4)-R2*I(R2)-V(3)=0,como I(R2)=0, temos que V(3) = V(4), onde V(4) a tenso da fonte V2. Este fato mostrado na curva V(3).

O resistor representa uma carga resistiva como, por exemplo, lmpada, chuveiro, etc.

Simulao 2 Transistor como chave com carga indutiva

IntroduoConsiderando agora o esquemtico mostrado abaixo, no qual foi acrescentado um

indutor em srie com o resistor R2, a seguinte mudana de comportamento no circuito

ocorrer: quando o transistor mudar o modo de operao de saturao para corte, isto

corresponder a uma variao na corrente na malha da direita; ao se variar a correntebruscamente como neste caso, a variao da tenso tende a infinito uma vez que

V=L*(di/dt), o que danificaria o transistor.

Desenvolvimento

Dados adicionais:Indutor L1 = 100 mH

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A partir do esquemtico mostrado na introduo, obtm-se as formas de onda de

tenso na fonte V(1), na base V(2) e no coletor do transistor V(3):

Obtm-se tambm a corrente na base I(R1) e no coletor I(R2):

Os grficos plotados demonstram a mudana de comportamento prevista para o

circuito; Quando a tenso na fonte V(1) vai de 5V para 0V, a corrente na base IR(1) cessa,

O transistor passa a funcionar em corte (como uma chave aberta), a corrente que chega ao

coletor I(R2) =0A e ento o indutor gera uma tenso no coletor altssima (453Kv), o que

faria o transistor entrar na regio de ruptura e portanto ser danificado.

O indutor representa uma carga indutiva, como, por exemplo, bobina de controle e rel deacionamento.

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Simulao 3 - Transistor como chave com carga indutiva e diodo de roda livre 01

IntroduoO diodo de roda livre um diodo que associado em paralelo com o indutor. Sua funo a de evitar um aumento excessivo da tenso nos terminais do indutor em funo davariao brusca na corrente que ocorre ao se mudar o ponto de operao do circuito desaturao para corte. Quando o transistor funciona como chave fechada (saturao), o

diodo no conduz. Quando o transistor funciona como chave aberta (corte), o diodoconduz protegendo o transistor contra esta tenso reversa.

Desenvolvimento

Dados adicionais:

Diodo D1 associado em paralelo com o indutor;

O novo esquemtico do circuito mostrado abaixo:

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A partir do esquemtico mostrado na introduo, obtm-se as formas de onda detenso na fonte V(1), na base V(2), no coletor do transistor V(3) e nos terminais doindutor V(4)-V(3) :

Obtm-se tambm a corrente na base I(R1), no coletor I(R2) e no indutor I(L1):

A partir da comparao dos grficos obtidos nesta simulao com os da simulao2, observa-se que com a associao do diodo em paralelo com o indutor a tenso nocoletor fica limitada a 12,7V. Alm disso, a tenso de pico nos terminais do indutor de12V, ou seja, o diodo associado em paralelo com o indutor permite que o transistorfuncione sem problema como chave fechada (ponto de saturao) ou chave aberta (pontode corte).

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Simulao 4 - Transistor como chave com carga indutiva e diodo de rodalivre 02

IntroduoNesta simulao, a modificao em relao simulao anterior que o diodo de

roda livre agora est associado em paralelo com o indutor e com o resistor R2. Este

circuito RL possui uma constante de tempo dada por L/R.

Desenvolvimento

Seja o esquemtico mostrado abaixo:

Aps rodar o circuito, obtm-se as formas de onda de tenso na fonte V(1),na base V(2), no coletor do transistor V(3) e nos terminais do indutor V(4)-V(3) :

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Obtm-se tambm a corrente na base I(R1), no coletor I(R2) e no indutor I(L1):

Para esse circuito, a tenso de pico no coletor de 12,7V.

As formas de onda de tenso sofreram variaes no coletor do transistor V(3) e

nos terminais do indutor V(4)-V(3). Apesar dos valores extremos terem se mantidos

praticamente iguais, percebe-se que para a simulao 4 o degrau na forma de onda da

tenso no coletor V(3) mais estreito, ou seja, dura menos tempo. Alm disso, este

degrau no est mais presente na tenso nos terminais do indutor V(4)-V(3). Em

comparao com a simulao 3, nota-se que a descarga fica condicionada constante de

tempo L/R enquanto na simulao anterior o tempo de descarga ficava condicionado

tenso do diodo de 0,7V.

As formas de onda de corrente deste circuito so muito parecidas com as obtidas

para a simulao 3. A nica diferena que se percebe que a forma de onda no resistor

R2 e no indutor L so idnticas (componentes em srie) e nos pontos em que a corrente

cessa (t= 10, 30, 50, 70 e 90ms) a forma de onda passa a ser uma curva exponencial ao

invs de retas como na simulao anterior (para circuitos RL, pode-se demonstrar que o

processo de armazenamento de energia e descarga do indutor atravs de uma resistncia Rso funes exponenciais, ver referncia bibliogrfica 2). Os valores de pico da corrente

no se modificaram para nenhuma curva.

O tempo de descarga ou carga de um indutor corresponde a t=L/R e chamado de

constante de tempo indutiva do circuito ( L ). Para este circuito, seu valor de:

L = 100mH/470 = 0,21ms.

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Concluso geral:

Neste relatrio analisou-se o uso de transistores de juno bipolar como chave

liga/desliga a partir do controle da corrente que chega a base. Alm disso, pde-se mostrar

como lidar com cargas indutivas sem trazer prejuzos ao funcionamento dos componentes

do circuito. Os resultados obtidos atravs das simulaes atenderam ao esperado

conforme analisado caso a caso no relatrio e contriburam decisivamente para o

entendimento da teoria envolvida nesta aplicao dos transistores.

Referencias bibliogrficas

1. Apostila de eletrnica bsica, Prof. Roberto Angelo Bertoli, UNICAMP

2. www.fisica.ufmg.br/~labexp/roteiros/Capacitancia_e_indutancia.doc