Montagens Básicas com Transístores

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1 Instituto Politécnico de Tomar Escola Superior de Tecnologia de Tomar Departamento de Engenharia Electrotécnica ELECTRÓNICA I Trabalho Prático N.º 3 Montagens Básicas com Transístores Efectuado pelos alunos: Turma: Turma: Turma: Turma: Curso: Data: Grupo: 2008/2009

2 ELECTRÓNICA I T.P. N.º 3 TJB 1. Introdução Um transístor de junção bipolar (TJB) é um dispositivo semicondutor, controlado por corrente, capaz de multiplicar a corrente que circula no seu terminal de controlo que é designado por base. Este é constituído por duas junções PN que partilham uma região comum (base) caracterizada pela sua pequena espessura e baixa dopagem. Quando esta região é do tipo N (colocada entre duas regiões tipo P) o transístor é designado PNP; se for do tipo P (colocada entre duas regiões tipo N) o transístor é NPN. Os três terminais ligados a cada uma das regiões são denominadas Emissor (E), Base (B) e Colector (C). C C v CB v BC i C i C B i B v CE B i B v EC v BE i E v EB i E E E (a) NPN (b) PNP Figura 1 Símbolos dos transístores bipolares e tensões associadas. Zonas de funcionamento Cada junção do TJB pode ser directa ou inversamente polarizada, independentemente da outra junção. Existem, portanto, quatro modos ou zonas de operação do TJB: zona activa(directa), zona de corte, zona de saturação e zona activa inversa (pouco utilizada). A tabela 1 indica o estado de cada junção para cada zona de funcionamento. Zona de operação Polarização das junções Emissor - base Colector - base Zona activa (directa) Directamente Inversamente Corte Inversamente Inversamente Saturação Directamente Directamente Zona activa inversa Inversamente Directamente Tabela 1 Polarização das junções consoante as zonas de funcionamento do TJB. Uma das montagens mais frequentemente utilizadas devido ao seu grande ganho de potência é a montagem em emissor comum que é representada na figura 2. A figura 3 representa a característica de saída (família de curvas I C como função de V CE tendo como parâmetro a corrente de base I B ) em emissor comum do transístor NPN de silício 2N2222. É possível identificar três regiões de operação do TJB: zona activa (ou linear), a zona de corte e a zona de saturação. 2/9

3 ELECTRÓNICA I T.P. N.º 3 TJB I C NPN 2N2222 I B + V B - + V C - RC + VCC I E Figura 2- Montagem em emissor comum. Figura 3 Característica de saída da montagem em emissor comum. Zona activa Quando a junção emissor-base está directamente polarizada e a junção colector-base inversamente polarizada e transístor encontra-se a funcionar na zona activa. A tensão V BE é tipicamente de 0,7V (ver tabela 2). Nesta zona de funcionamento pode utilizar-se a expressão (aproximada) que relaciona a corrente de colector com a corrente de base. I C =β F.I B Na zona activa, esta expressão constitui uma excelente aproximação. Esta equação indica que o transístor tem o comportamento de uma fonte de corrente dependente (a corrente I C depende da corrente I B ). Como normalmente β F >>1, a pequenos aumentos de I B correspondem grandes aumentos de I C, de forma (quase) independente de V CE. Existem ligeiras diferenças entre o ganho para pequenos sinais e em CC (corrente continua) pelo que se considera que são iguais: h FE =I c /I B β F 3/9

4 ELECTRÓNICA I T.P. N.º 3 TJB Os valores típicos de h FE variam entre 50 e 500 (para transístores de pequenos sinais); encontram-se, no entanto, transístores com um h FE superior a Note-se que, nos catálogos de características de transístores, pode-se encontrar indiferentemente β, β F, β CC ou h FE. Zona de corte Verifica-se quando a corrente de base é nula, sendo, neste caso, equivalente a manter o circuito de base aberto. Nestas circunstâncias, a corrente do colector é tão pequena (Igual a I CB0 ) que, se a desprezarmos, podemos comparar o transístor, no circuito colector-emissor, com um interruptor aberto e dizer que o transístor está ao corte. As junções neste caso, estão polarizadas da seguinte maneira: - Junção colector - base inversamente polarizada; - Junção base - emissor inversamente polarizado ou sem polarização. Zona de saturação Nesta região, ambas as junções estão directamente polarizadas. Tipicamente verifica-se que V CEsat 0,2V (ver tabela 2). Na figura 3 esta zona é a que está compreendida entre a origem de coordenadas e o joelho das curvas. Nesta zona, a corrente de colector é aproximadamente independente da corrente de base, para determinados valores de R C e V CC. Portanto, na saturação, a corrente de colector já não é controlada pela corrente de base (a relação entre I C e I B já não é dada por β F ). O transístor, no circuito colector-emissor assemelha-se a um interruptor fechado e a corrente que circula pelo circuito colector é limitada apenas pelo circuito externo. A tabela 2 indica as tensões típicas nas junções dos TJB de Silício a 25ºC, em cada zona de funcionamento. V CE Na fronteira entre a saturação e a zona activa Considerações práticas Inicio de condução do TJB V BE Inicio de condução do TJB Saturação Corte 0,3V 0,5 0, V Tabela 2 Tensões típicas nas junções dos TJB de silício a 25ºC. Como qualquer outro componente, o transístor, como elemento real, possui algumas limitações em relação às suas condições de trabalho, que não devem ser ultrapassadas para assegurar a durabilidade e/ou o bom funcionamento do componente. As informações acerca destas limitações são especificadas pelos fabricantes e vêm indicadas nos catálogos ou folhas de características ( Databook ou Data Sheet ). A título de exemplo, apresentam-se a seguir alguns destes valores limite para o caso do transístor BC107 (a 25º): Tensão máxima colector-emissor com a base 4/9

5 ELECTRÓNICA I T.P. N.º 3 TJB em circuito aberto (V CE0 ) Tensão máxima colector-emissor com a base em curto-circuito (V CES ) Tensão máxima colector-base com o emissor em circuito aberto (V CB0 ) Tensão de ruptura emissor base (V EB) Corrente contínua de colector (máx.) (I C máx ) Corrente de pico de colector (máx.) Potência total dissipada (P tot ) 45 V 50V 45V 6V 100 ma 200 ma 300mW O BC 107 é um transístor de baixa potência, para pequenos sinais e de múltiplas aplicações, (em inglês general purpose ); é de silício pelo que se pode considerar que, quando na zona activa, V BE = 0,7V e I CB0 0. A potência total dissipada no TJB é a soma da potência dissipada no circuito de base e no circuito de colector. Como a corrente de base é muito menor que a do colector, normalmente despreza-se considerando assim, a potência dissipada no transístor como sendo: P tot = V CE.I C Existe uma nomenclatura Europeia para as referências dos transístores que é dada na tabela 3. Primeira Letra Segunda Letra Letra Significado Letra Significado A Germânio C Para Baixa Frequência (BF) B Silício D De potência para BF C Gálio F Para alta Frequência (AF) L De potência para AF S Para comutação U De potência para comutação Tabela 3 Nomenclatura Europeia de transístores. Exemplo: O BC 107 é um transístor de Silício com baixa potência de dissipação e que é feito para operar a baixas frequências. Identificação dos transístores BC 107 E B BC 547B C E B C Figura 4 Identificação dos terminais dos transístores (vista por baixo). 5/9

6 ELECTRÓNICA I T.P. N.º 3 TJB 2- Objectivos deste trabalho Estudo de várias montagens básicas com transístores, emissor comum, colector comum e base comum. 3- Material - 1 Transístor BC547-3 resistências 10k - 1 resistência de 1k - 1 resistência de 4k7-1 resistência de 100k - 1 condensador 100µF - Fonte de alimentação +/-15V - Osciloscópio e gerador de funções Nota: Todas montagens devem ser simuladas com o PSPICE ou EWB. Para o PSPICE devem utilizar os modelos dos transistores que estão no anexo. 4- Montagem de emissor comum Monte o seguinte circuito +15V 4k7 Vin 10k Vout 100k + 100uF 10k Ligue Vin à massa e meça as tensões em todos os nós do circuito. Determine o ponto de funcionamento em repouso da montagem e a partir dai o seu modelo incremental Para uma onda de entrada sinusoidal com 1kHz de frequência, varie a amplitude de Vin e observe Vout. Comente Meça a tensão de entrada e de saida sem distorção e, calcule o ganho da montagem. Compare com o valor obtido a partir do modelo incremental. Qual a função do condensador de 100uF? -15V 6/9

7 ELECTRÓNICA I T.P. N.º 3 TJB 5- Montagem de colector comum Monte o seguinte circuito Vin 10k +15V Vout 100k 10k -15V Determine o ponto de funcionamento do circuito e a partir dai o seu modelo incremental Para uma onda de entrada sinuosidade com 1 khz de frequência, varie a amplitude de Vin e observe Vout. Comente Meça a tensão de entrada e de saida sem distorção e, calcule o ganho da montagem. Compare com o valor obtido a partir do modelo incremental. 6 - Montagem de emissor comum com resistência de emissor. Monte o seguinte circuito +15V 4k7 Vin 10k Ri Vout1 Vout2 100k 10k Para uma onda de entrada sinuosidade de 1kHz de frequência, varie Vin e observe Vout1 e Vout2 simultaneamente. Comente Meça a tensão de entrada e das saidas sem distorção, e calcule o ganho da montagem para cada uma das saídas, Vout1 e Vout2. Compare com o valor obtido a partir do modelo incremental. -15V 7/9

8 ELECTRÓNICA I T.P. N.º 3 TJB 7 - Montagem de base comum Monte o seguinte circuito +15V 4k7 Vout Vin + 100uF 1k 10k -15V Para uma onda de entrada sinusoidal de 1kHz de frequência, varie Vin e observe Vout. Comente Meça a tensão de entrada e de saida sem distorção e, calcule o ganho da montagem. Compare com o valor obtido a partir do modelo incremental. 8/9

9 ELECTRÓNICA I T.P. N.º 3 TJB ANEXO:.MODEL BC548C NPN( + AF= 1.00E+00 BF= 4.66E+02 BR= 2.42E+00 CJC= 5.17E-12 + CJE= 1.33E-11 CJS= 0.00E+00 EG= 1.11E+00 FC= 9.00E-01 + IKF= 1.80E-01 IKR= 1.00E+00 IRB= 1.00E+01 IS= 1.95E-14 + ISC= 1.00E-13 ISE= 1.31E-15 ITF= 1.03E+00 KF= 0.00E+00 + MJC= 3.19E-01 MJE= 3.26E-01 MJS= 3.30E-01 NC= 0E+00 + NE= 1.32E+00 NF= 9.93E-01 NR= 1.20E+00 PTF= 0.00E+00 + RB= 2.65E+01 RBM= 1.00E+01 RC= 1.73E+00 RE= 1.00E+00 + TF= 6.52E-10 TR= 0.00E+00 VAF= 9.17E+01 VAR= 2.47E+01 + VJC= 3.39E-01 VJE= 6.32E-01 VJS= 7.50E-01 VTF= 1.65E+00 + XCJC= 1.00E+00 XTB= 0.00E+00 XTF= 1.00E+02 XTI= 3.00E+00) *****************************************************************.MODEL BC558B PNP( + AF= 1.00E+00 BF= 2.38E+02 BR= 8.07E+00 CJC= 1.02E-11 + CJE= 1.54E-11 CJS= 0.00E+00 EG= 1.11E+00 FC= 6.60E-01 + IKF= 3.00E-01 IKR= 1.00E+00 IRB= 1.12E+00 IS= 1.69E-14 + ISC= 1.00E-13 ISE= 1.00E-17 ITF= 9.50E-01 KF= 0.00E+00 + MJC= 3.45E-01 MJE= 4.19E-01 MJS= 3.30E-01 NC= 0E+00 + NE= 0E+00 NF= 1.01E+00 NR= 1.00E+00 PTF= 0.00E+00 + RB= 5.00E+01 RBM= 1.00E+01 RC= 1.49E+00 RE= 9.50E-02 + TF= 5.64E-10 TR= 0.00E+00 VAF= 1.00E+02 VAR= 5.00E+01 + VJC= 3.00E-01 VJE= 8.00E-01 VJS= 7.50E-01 VTF= 1.47E+00 + XCJC= 1.00E+00 XTB= 0.00E+00 XTF= 5.51E+01 XTI= 3.00E+00) 9/9

10 SEMICONDUCTOR TECHNICAL DATA Order this document by /D NPN Silicon COLLECTOR 1 2 BASE 3 EMITTER MAXIMUM RATINGS Rating Symbol BC 546 BC 547 BC 548 Unit Collector Emitter Voltage VCEO Vdc Collector Base Voltage VCBO Vdc Emitter Base Voltage VEBO 6.0 Vdc Collector Current Continuous IC 100 madc Total Device Derate above 25 C PD mw mw/ C CASE 29 04, STYLE 17 TO 92 (TO 226AA) Total Device TC = 25 C Derate above 25 C PD Watt mw/ C Operating and Storage Junction Temperature Range TJ, Tstg 55 to +150 C THERMAL CHARACTERISTICS Characteristic Symbol Max Unit Thermal Resistance, Junction to Ambient R JA 200 C/W Thermal Resistance, Junction to Case R JC 83.3 C/W ELECTRICAL CHARACTERISTICS ( unless otherwise noted) OFF CHARACTERISTICS Collector Emitter Breakdown Voltage (IC = 1.0 ma, IB = 0) Collector Base Breakdown Voltage (IC = 100 µadc) Emitter Base Breakdown Voltage (IE = 10 A, IC = 0) Collector Cutoff Current (VCE = 70 V, VBE = 0) (VCE = 50 V, VBE = 0) (VCE = 35 V, VBE = 0) (VCE = 30 V, TA = 125 C) Characteristic Symbol Min Typ Max Unit BC547 BC548 BC547 BC548 BC547 BC548 BC547 BC548 /547/548 V(BR)CEO V(BR)CBO V(BR)EBO ICES V V V na µa REV 1 Motorola Small Signal Transistors, FETs and Diodes Device Data Motorola, Inc

11 ELECTRICAL CHARACTERISTICS ( unless otherwise noted) (Continued) ON CHARACTERISTICS DC Current Gain (IC = 10 µa, VCE = 5.0 V) Characteristic Symbol Min Typ Max Unit BC547A/548A B/547B/548B BC548C hfe (IC = ma, VCE = 5.0 V) BC547 BC548 BC547A/548A B/547B/548B BC547C/BC548C (IC = 100 ma, VCE = 5.0 V) BC547A/548A B/547B/548B BC548C Collector Emitter Saturation Voltage (IC = 10 ma, IB = 0.5 ma) (IC = 100 ma, IB = 5.0 ma) (IC = 10 ma, IB = See Note 1) Base Emitter Saturation Voltage (IC = 10 ma, IB = 0.5 ma) Base Emitter On Voltage (IC = ma, VCE = 5.0 V) (IC = 10 ma, VCE = 5.0 V) SMALL SIGNAL CHARACTERISTICS Current Gain Bandwidth Product (IC = 10 ma, VCE = 5.0 V, f = 100 MHz) Output Capacitance (VCB = 10 V, IC = 0, f = 1.0 MHz) Input Capacitance (VEB = 0.5 V, IC = 0, f = 1.0 MHz) BC547 BC548 VCE(sat) VBE(sat) 0.7 V VBE(on) ft V V MHz Cobo pf Cibo 10 pf Small Signal Current Gain (IC = ma, VCE = 5.0 V, f = 1.0 khz) BC547/548 BC547A/548A B/547B/548B BC547C/548C hfe Noise Figure (IC = 0.2 ma, VCE = 5.0 V, RS = 2 k, f = 1.0 khz, f = 200 Hz) BC547 BC548 NF db Note 1: IB is value for which IC = 11 ma at VCE = 1.0 V. 2 Motorola Small Signal Transistors, FETs and Diodes Device Data

12 hfe, NORMALIZED DC CURRENT GAIN VCE = 10 V V, VOLTAGE (VOLTS) IC/IB = 10 VCE = 10 V IC/IB = IC, COLLECTOR CURRENT (madc) IC, COLLECTOR CURRENT (madc) Figure 1. Normalized DC Current Gain Figure 2. Saturation and On Voltages VCE, COLLECTOR EMITTER VOLTAGE (V) IC = 10 ma IC = 20 ma IC = 50 ma IB, BASE CURRENT (ma) IC = 200 ma IC = 100 ma 20 VB, TEMPERATURE COEFFICIENT (mv/ C) θ C to +125 C IC, COLLECTOR CURRENT (ma) Figure 3. Collector Saturation Region Figure 4. Base Emitter Temperature Coefficient BC547/BC548 C, CAPACITANCE (pf) Cib 3.0 Cob VR, REVERSE VOLTAGE (VOLTS) f T, CURRENT GAIN BANDWIDTH PRODUCT (MHz) IC, COLLECTOR CURRENT (madc) VCE = 10 V Figure 5. Capacitances Figure 6. Current Gain Bandwidth Product Motorola Small Signal Transistors, FETs and Diodes Device Data 3

13 BC547/BC hfe, DC CURRENT GAIN (NORMALIZED) VCE = 5 V V, VOLTAGE (VOLTS) IC/IB = 10 VCE = 5.0 V IC/IB = IC, COLLECTOR CURRENT (ma) IC, COLLECTOR CURRENT (ma) Figure 7. DC Current Gain Figure 8. On Voltage VCE, COLLECTOR EMITTER VOLTAGE (VOLTS) ma IC = 10 ma 50 ma 100 ma IB, BASE CURRENT (ma) Figure 9. Collector Saturation Region 200 ma 20 VB, TEMPERATURE COEFFICIENT (mv/ C) θ θvb for VBE 55 C to 125 C IC, COLLECTOR CURRENT (ma) Figure 10. Base Emitter Temperature Coefficient C, CAPACITANCE (pf) Cib Cob VR, REVERSE VOLTAGE (VOLTS) f T, CURRENT GAIN BANDWIDTH PRODUCT VCE = 5 V IC, COLLECTOR CURRENT (ma) Figure 11. Capacitance Figure 12. Current Gain Bandwidth Product 4 Motorola Small Signal Transistors, FETs and Diodes Device Data

14 PACKAGE DIMENSIONS SEATING PLANE R A X X H V 1 N F G P N B L K C D J SECTION X X NOTES: 1. DIMENSIONING AND TOLERANCING PER ANSI Y14.5M, CONTROLLING DIMENSION: INCH. 3. CONTOUR OF PACKAGE BEYOND DIMENSION R IS UNCONTROLLED. 4. DIMENSION F APPLIES BETWEEN P AND L. DIMENSION D AND J APPLY BETWEEN L AND K MINIMUM. LEAD DIMENSION IS UNCONTROLLED IN P AND BEYOND DIMENSION K MINIMUM. INCHES MILLIMETERS DIM MIN MAX MIN MAX A B C D F G H J K L N P R V CASE (TO 226AA) ISSUE AD STYLE 17: PIN 1. COLLECTOR 2. BASE 3. EMITTER Motorola Small Signal Transistors, FETs and Diodes Device Data 5

15 Motorola reserves the right to make changes without further notice to any products herein. Motorola makes no warranty, representation or guarantee regarding the suitability of its products for any particular purpose, nor does Motorola assume any liability arising out of the application or use of any product or circuit, and specifically disclaims any and all liability, including without limitation consequential or incidental damages. Typical parameters can and do vary in different applications. All operating parameters, including Typicals must be validated for each customer application by customer s technical experts. Motorola does not convey any license under its patent rights nor the rights of others. Motorola products are not designed, intended, or authorized for use as components in systems intended for surgical implant into the body, or other applications intended to support or sustain life, or for any other application in which the failure of the Motorola product could create a situation where personal injury or death may occur. Should Buyer purchase or use Motorola products for any such unintended or unauthorized application, Buyer shall indemnify and hold Motorola and its officers, employees, subsidiaries, affiliates, and distributors harmless against all claims, costs, damages, and expenses, and reasonable attorney fees arising out of, directly or indirectly, any claim of personal injury or death associated with such unintended or unauthorized use, even if such claim alleges that Motorola was negligent regarding the design or manufacture of the part. Motorola and are registered trademarks of Motorola, Inc. Motorola, Inc. is an Equal Opportunity/Affirmative Action Employer. How to reach us: USA/EUROPE: Motorola Literature Distribution; JAPAN: Nippon Motorola Ltd.; Tatsumi SPD JLDC, Toshikatsu Otsuki, P.O. Box 20912; Phoenix, Arizona F Seibu Butsuryu Center, Tatsumi Koto Ku, Tokyo 135, Japan MFAX: RMFAX0@ .sps.mot.com TOUCHTONE (602) HONG KONG: Motorola Semiconductors H.K. Ltd.; 8B Tai Ping Industrial Park, INTERNET: NET.com 51 Ting Kok Road, Tai Po, N.T., Hong Kong Motorola Small Signal Transistors, FETs and Diodes Device Data /D

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