Montagens Básicas com Transístores

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

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

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

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 1000. 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 0,7 0.8 0V 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

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

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 4.1 - 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. 4.2 - Para uma onda de entrada sinusoidal com 1kHz de frequência, varie a amplitude de Vin e observe Vout. Comente. 4.3 - 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

ELECTRÓNICA I T.P. N.º 3 TJB 5- Montagem de colector comum Monte o seguinte circuito Vin 10k +15V Vout 100k 10k -15V 5.1 - Determine o ponto de funcionamento do circuito e a partir dai o seu modelo incremental. 5.2 - Para uma onda de entrada sinuosidade com 1 khz de frequência, varie a amplitude de Vin e observe Vout. Comente. 5.3 - 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 6.1 - Para uma onda de entrada sinuosidade de 1kHz de frequência, varie Vin e observe Vout1 e Vout2 simultaneamente. Comente. 6.2 - 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

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 7.1 - Para uma onda de entrada sinusoidal de 1kHz de frequência, varie Vin e observe Vout. Comente. 7.2 - 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

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

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 65 45 30 Vdc Collector Base Voltage VCBO 80 50 30 Vdc Emitter Base Voltage VEBO 6.0 Vdc Collector Current Continuous IC 100 madc Total Device Dissipation @ Derate above 25 C PD 625 5.0 mw mw/ C 1 2 3 CASE 29 04, STYLE 17 TO 92 (TO 226AA) Total Device Dissipation @ TC = 25 C Derate above 25 C PD 1.5 12 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 65 45 30 V(BR)CBO 80 50 30 V(BR)EBO 6.0 6.0 6.0 ICES 0.2 0.2 0.2 15 15 15 4.0 V V V na µa REV 1 Motorola Small Signal Transistors, FETs and Diodes Device Data Motorola, Inc. 1996 1

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 90 150 270 (IC = ma, VCE = 5.0 V) BC547 BC548 BC547A/548A B/547B/548B BC547C/BC548C 110 110 110 110 200 420 180 290 520 450 800 800 220 450 800 (IC = 100 ma, VCE = 5.0 V) BC547A/548A B/547B/548B BC548C 120 180 300 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) 0.09 0.2 0.3 0.25 0.6 0.6 VBE(sat) 0.7 V VBE(on) ft 0.55 150 150 150 300 300 300 0.7 0.77 V V MHz Cobo 1.7 4.5 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 125 125 125 240 450 220 330 600 500 900 260 500 900 Noise Figure (IC = 0.2 ma, VCE = 5.0 V, RS = 2 k, f = 1.0 khz, f = 200 Hz) BC547 BC548 NF 10 10 10 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

hfe, NORMALIZED DC CURRENT GAIN 1.5 1.0 0.8 0.6 0.4 0.3 VCE = 10 V V, VOLTAGE (VOLTS) 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 VBE(sat) @ IC/IB = 10 VBE(on) @ VCE = 10 V VCE(sat) @ IC/IB = 10 0.2 0.2 0.5 1.0 5.0 10 20 50 100 200 IC, COLLECTOR CURRENT (madc) 0 0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1.0 3.0 5.0 7.0 10 20 30 50 70 100 IC, COLLECTOR CURRENT (madc) Figure 1. Normalized DC Current Gain Figure 2. Saturation and On Voltages VCE, COLLECTOR EMITTER VOLTAGE (V) 1.6 1.2 0.8 0.4 IC = 10 ma IC = 20 ma IC = 50 ma 0 0.02 0.1 1.0 10 IB, BASE CURRENT (ma) IC = 200 ma IC = 100 ma 20 VB, TEMPERATURE COEFFICIENT (mv/ C) θ 1.0 1.2 1.6 2.4 2.8 55 C to +125 C 0.2 1.0 10 100 IC, COLLECTOR CURRENT (ma) Figure 3. Collector Saturation Region Figure 4. Base Emitter Temperature Coefficient BC547/BC548 C, CAPACITANCE (pf) 10 7.0 5.0 Cib 3.0 Cob 1.0 0.4 0.6 0.8 1.0 4.0 6.0 8.0 10 20 40 VR, REVERSE VOLTAGE (VOLTS) f T, CURRENT GAIN BANDWIDTH PRODUCT (MHz) 400 300 200 100 80 60 40 30 20 0.5 0.7 1.0 3.0 5.0 7.0 10 20 30 50 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

BC547/BC548 1.0 hfe, DC CURRENT GAIN (NORMALIZED) 1.0 0.5 0.2 VCE = 5 V V, VOLTAGE (VOLTS) 0.8 0.6 0.4 0.2 VBE(sat) @ IC/IB = 10 VBE @ VCE = 5.0 V VCE(sat) @ IC/IB = 10 0.1 0.2 1.0 10 100 IC, COLLECTOR CURRENT (ma) 0 0.2 0.5 1.0 5.0 10 20 50 100 200 IC, COLLECTOR CURRENT (ma) Figure 7. DC Current Gain Figure 8. On Voltage VCE, COLLECTOR EMITTER VOLTAGE (VOLTS) 1.6 1.2 0.8 0.4 20 ma IC = 10 ma 50 ma 100 ma 0 0.02 0.05 0.1 0.2 0.5 1.0 5.0 10 IB, BASE CURRENT (ma) Figure 9. Collector Saturation Region 200 ma 20 VB, TEMPERATURE COEFFICIENT (mv/ C) θ 1.0 1.4 1.8 θvb for VBE 55 C to 125 C 2.2 2.6 3.0 0.2 0.5 1.0 5.0 10 20 50 100 200 IC, COLLECTOR CURRENT (ma) Figure 10. Base Emitter Temperature Coefficient C, CAPACITANCE (pf) 40 20 Cib 10 6.0 4.0 Cob 0.1 0.2 0.5 1.0 5.0 10 20 50 100 VR, REVERSE VOLTAGE (VOLTS) f T, CURRENT GAIN BANDWIDTH PRODUCT 500 200 100 50 20 VCE = 5 V 1.0 5.0 10 50 100 IC, COLLECTOR CURRENT (ma) Figure 11. Capacitance Figure 12. Current Gain Bandwidth Product 4 Motorola Small Signal Transistors, FETs and Diodes Device Data

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, 1982. 2. 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 0.175 0.205 4.45 5.20 B 0.170 0.210 4.32 5.33 C 0.125 0.165 3.18 4.19 D 0.016 0.022 0.41 0.55 F 0.016 0.019 0.41 0.48 G 0.045 0.055 1.15 1.39 H 0.095 0.105 2.42 2.66 J 0.015 0.020 0.39 0.50 K 0.500 12.70 L 0.250 6.35 N 0.080 0.105 4 2.66 P 0.100 2.54 R 0.115 2.93 V 0.135 3.43 CASE 029 04 (TO 226AA) ISSUE AD STYLE 17: PIN 1. COLLECTOR 2. BASE 3. EMITTER Motorola Small Signal Transistors, FETs and Diodes Device Data 5

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