Experiência 04: Transistor Bipolar como chave e circuitos

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1 Experiência 04: Transistor Bipolar como chave e circuitos de temporização Prof. Marcos Augusto Stemmer 17 de março de Diodo emissor de luz: LED O LED é um tipo especial de diodo que emite luz quando passa corrente direta por ele. Fique atento que quando usado com uma fonte de tensão, o LED sempre deve ser ligado em série com uma resistência para limitar a corrente. Se for ligado diretamente na fonte ele será destruido! Dependendo do tipo de semicondutor usado podemos ter LEDs de várias cores. A tensão V D no LED depende do tipo de LED (principalmente da cor) e da corrente. Com uma fonte de tensão V CC, uma tensão no LED V LED e uma resistência R, a corrente é dada por I LED = V CC V LED R (1) 2 Procdimentos Usando uma fonte de alimentação de 10V e uma resistência de 1kΩ, observe a luminosidade, meça a tensão V LED e calcule a corrente I LED para alguns tipos de LED: Vermelho, Amarelo, Verde, Azul. (Os que estiverem disponíveis no LEP). Figura 1: Circuito para testar o LED 3 Transistor como chave: Inversor Figura 2: Inversor com um transistor bipolar 1

2 Um transistor bipolar pode ser usado como chave digital controlado o acendimento de um LED. No inversor com um transistor da figura a seguir, escolhe-se R B de modo que o transistor fique saturado quando o botão não está apertado. Para garantir a saturação do transistor é necessário que Onde I C é dado por R B < (V CC V BE )h F E I C (2) I C = I LED = V CC V LED (3) R C O aperto no botão faz com que a tensão na base seja zero; o transistor entra em corte, desligando o LED. Escolha os valorer de R C e de R B de modo que a corrente no LED seja próxima de 8mA e o transistor fique saturado quando o botão não está apertado. 4 Circuito de memória biestável Concatenando dois inversores e realimentando a saída do segundo na entrada do primeiro pode-se fazer um circuito biestável. O circuito tem dois botões: Um para ligar e outro para desligar. Quando nenhum botão está apertado, o biestável permanece no estado memorizado. Figura 3: Circuito de memória biestável Neste circuito V CC = 10V, R 1 = 56kΩ; R 2 = 1kΩ; R 3 = 4, 7kΩ; R 4 = 56kΩ; R 5 = 1kΩ; R 6 = 4, 7kΩ. Monte o circuito e teste o funcionamento apertando nos botões. 5 Circuito de tempo monoestável No circuito da figura 4 os componentes tem os seguintes valores: R 1 = 4, 7kΩ; C 1 = 22µF ; R 2 = 120kΩ; R 3 = 1kΩ. A descida brusca da tensão V 1 no momento em que fecha-se a chave é transmitida através do capacitor C 1 para a tensão de base V B1. A tensão V B1 desce repentinamente de 0, 7V para 0, 7 V CC = 9, 3V. Enquanto a chave está fechada a tensão V B1 sobe a medida que o capacitor vai sendo carregado através do resistor R 2, tendendo a aproximar-se de V CC. A tensão V B1 neste intervalo é dada por: V B1 (t) = V CC (2V CC 0, 7)e t C 1 R 2 (4) Enquanto V B1 (t) está negativo ou menor que 0,7V o transistor fica em corte, e o LED fica desligado. A tensão V B1 (t) sobe até atingir o limiar de condução do transistor com cerca de 0,7V. Quando isto acontece o transistor começa a conduzir e o LED acende. Pode-se calcular o tempo que o LED permanece apagado colocando o valor de 0,7V no lugar do V B1 (t). 0, 7 = V CC (2V CC 0, 7) exp( t apagado C 1 R 2 ) (5) 2

3 Figura 4: Circuito monoestável sem realimentação Resolvendo esta equação de modo a obter t apagado, temos o seguinte: t apagado = C 1 R 2 ln( 2V CC 0, 7 V CC 0, 7 ) (6) Na figura a seguir aparece a forma de onda da tensão V B1 em funçaõ do tempo: Figura 5: forma de onda da tensão V B1 em funçaõ do tempo: 6 Circuito monoestável com realimentação Se for usado como temporizador, o circuito descrito anteriormente tem alguns problemas: Se a chave for aberta enquanto o LED está apagado, ele acenderá imediatamente. O acendimento do LED não é repentino. Normalmente deseja-se que o LED faça o contrário: Fique normalmente apagado e acena enquento está contando o tempo. Estes problemas podem ser resolvidos acrescentando-se mais um inversor com transistor, e realimentando a saída deste segundo inversor de modo que o transistor Q 2 fique em paralelo com o botão. Quando aperta-se o botão de gatilho, o transistor Q 1 para de conduzir, fazendo com que o transistor Q 2 começe a conduzir ligando o LED2. Soltando o botão, o LED permanece aceso, até 3

4 Figura 6: Circuito monoestável com realimentação que o tempo do monoestável se esgote, porque a tensão V C2 é mantida em nível próximo de zero pelo coletor do transistor Q 2. O tempo de acendimento do LED é o mesmo que foi calculado para o circuito sem realimentação. Monte e teste este circuito. Observe no osciloscõpio a tensão V B1 (t). Calcule o tempo esperado. Meça o tempo no circuito que foi montado. 7 Oscilador astável (pisca-pisca) Acoplando o segundo estágio com outro capacitor C 2, o circuito passa a comportar-se como um pisca-pisca, não tendo nenhum estado estável. Os capacitores foram substituidos por outros de Figura 7: Oscilador astável (pisca-pisca) menor valor para que o circuito pisque mais rápido. O tempo do LED aceso é determinado pela constante de tempo C 1 R 2, como no circuito monoestável. O tempo de LED apagado depende da constante de tempo C 2 R 4. Os tempos podem ser calculados com as seguintes fórmulas: t ligado = C 1 R 2 ln( 2V CC 0, 7 V CC 0, 7 ) (7) t apagado = C 2 R 4 ln( 2V CC 0, 7 V CC 0, 7 ) (8) t ligado = C 1 R 2 ln( 2V CC V BE V CC V BE ) (9) t apagado = C 2 R 4 ln( 2V CC V BE V CC V BE ) (10) 4

5 7.1 Procedimentos Monte o circuito Observe as formas de onda no osciloscópio Meça os tempos Calcule os tempos e compare com os valores observados 5