ELECTRÓNICA I Montagens Básicas com Transístores 2008/2009

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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
1.
T.P. N.º 3
TJB
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
vCB
vBC
iC
iB
vCE
B
iE
vBE
vEC
B
iE
vEB
E
(a) NPN
iC
iB
E
(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
Zona activa (directa)
Corte
Saturação
Zona activa inversa
Polarização das junções
Emissor - base
Colector - base
Directamente
Inversamente
Inversamente
Inversamente
Directamente
Directamente
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 IC como função de VCE
tendo como parâmetro a corrente de base IB) 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.
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ELECTRÓNICA I
T.P. N.º 3
TJB
IC
RC
NPN
2N2222
IB +
VB
-
+
VC
IE
+
VCC
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 VBE 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.
IC=β
β F.IB
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 IC depende da corrente IB). Como
normalmente βF >>1, a pequenos aumentos de IB correspondem grandes
aumentos de IC, de forma (quase) independente de VCE.
Existem ligeiras diferenças entre o ganho para pequenos sinais e em CC
(corrente continua) pelo que se considera que são iguais:
hFE=Ic/IB≅β F
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ELECTRÓNICA I
T.P. N.º 3
TJB
Os valores típicos de hFE variam entre 50 e 500 (para transístores de pequenos
sinais); encontram-se, no entanto, transístores com um hFE superior a 1000.
Note-se que, nos catálogos de características de transístores, pode-se
encontrar indiferentemente β, βF, βCC ou hFE.
• 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 ICB0) 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 VCEsat ≅ 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 RC e VCC. Portanto, na saturação, a corrente de colector já não é
“controlada” pela corrente de base (a relação entre IC e IB já não é dada por
βF). 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.
VCE
Na fronteira
entre a
saturação e a
zona activa
0,3V
Inicio de
condução do
TJB
0,5
VBE
Inicio de
condução do TJB
Saturação
Corte
0,7
0.8
≤0V
Tabela 2 – Tensões típicas nas junções dos TJB de silício a 25ºC.
Considerações práticas
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
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ELECTRÓNICA I
T.P. N.º 3
TJB
45 V
em circuito aberto (VCE0)
Tensão máxima colector-emissor com a base
50V
em curto-circuito (VCES)
Tensão máxima colector-base com o emissor
45V
em circuito aberto (VCB0)
6V
Tensão de ruptura emissor – base (VEB)
Corrente contínua de colector (máx.) (IC máx) 100 mA
Corrente de pico de colector (máx.)
200 mA
300mW
Potência total dissipada (Ptot)
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, VBE = 0,7V e ICB0 ≅ 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:
Ptot= VCE.IC
Existe uma nomenclatura Europeia para as referências dos transístores que é dada na
tabela 3.
Primeira Letra
Letra
Significado
A
Germânio
B
Silício
C
Gálio
Segunda Letra
Letra
Significado
C
Para Baixa Frequência (BF)
D
De potência para BF
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
BC 547B
E
B
C
E
B
C
Figura 4 – Identificação dos terminais dos transístores (vista por baixo).
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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
Vout
Vin
10k
100uF
+
100k
10k
-15V
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 ?
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ELECTRÓNICA I
T.P. N.º 3
TJB
5- Montagem de colector comum
Monte o seguinte circuito
+15V
Vin
10k
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
Vout1
Vin
Ri
10k
Vout2
100k
10k
-15V
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.
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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.
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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= 2.00E+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= 2.00E+00
+
NE= 2.00E+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
Order this document
by BC546/D
SEMICONDUCTOR TECHNICAL DATA
NPN Silicon
COLLECTOR
1
2
BASE
3
EMITTER
1
MAXIMUM RATINGS
2
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
Rating
VEBO
6.0
Vdc
Collector Current — Continuous
IC
100
mAdc
Total Device Dissipation @ TA = 25°C
Derate above 25°C
PD
625
5.0
mW
mW/°C
Total Device Dissipation @ TC = 25°C
Derate above 25°C
PD
1.5
12
Watt
mW/°C
TJ, Tstg
– 55 to +150
°C
Operating and Storage Junction
Temperature Range
3
CASE 29–04, STYLE 17
TO–92 (TO–226AA)
THERMAL CHARACTERISTICS
Characteristic
Symbol
Max
Unit
Thermal Resistance, Junction to Ambient
RqJA
200
°C/W
Thermal Resistance, Junction to Case
RqJC
83.3
°C/W
ELECTRICAL CHARACTERISTICS (TA = 25°C unless otherwise noted)
Characteristic
Symbol
Min
Typ
Max
Unit
OFF CHARACTERISTICS
Collector – Emitter Breakdown Voltage
(IC = 1.0 mA, IB = 0)
BC546
BC547
BC548
V(BR)CEO
65
45
30
—
—
—
—
—
—
V
Collector – Base Breakdown Voltage
(IC = 100 µAdc)
BC546
BC547
BC548
V(BR)CBO
80
50
30
—
—
—
—
—
—
V
Emitter – Base Breakdown Voltage
(IE = 10 mA, IC = 0)
BC546
BC547
BC548
V(BR)EBO
6.0
6.0
6.0
—
—
—
—
—
—
V
Collector Cutoff Current
(VCE = 70 V, VBE = 0)
(VCE = 50 V, VBE = 0)
(VCE = 35 V, VBE = 0)
(VCE = 30 V, TA = 125°C)
BC546
BC547
BC548
BC546/547/548
—
—
—
—
0.2
0.2
0.2
—
15
15
15
4.0
nA
ICES
µA
REV 1
Motorola Small–Signal Transistors, FETs and Diodes Device Data
 Motorola, Inc. 1996
1
ELECTRICAL CHARACTERISTICS (TA = 25°C unless otherwise noted) (Continued)
Symbol
Min
Typ
Max
BC547A/548A
BC546B/547B/548B
BC548C
—
—
—
90
150
270
—
—
—
(IC = 2.0 mA, VCE = 5.0 V)
BC546
BC547
BC548
BC547A/548A
BC546B/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
BC546B/547B/548B
BC548C
—
—
—
120
180
300
—
—
—
—
—
—
0.09
0.2
0.3
0.25
0.6
0.6
—
0.7
—
0.55
—
—
—
0.7
0.77
150
150
150
300
300
300
—
—
—
Characteristic
Unit
ON CHARACTERISTICS
DC Current Gain
(IC = 10 µA, VCE = 5.0 V)
hFE
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)
VCE(sat)
Base – Emitter Saturation Voltage
(IC = 10 mA, IB = 0.5 mA)
VBE(sat)
Base–Emitter On Voltage
(IC = 2.0 mA, VCE = 5.0 V)
(IC = 10 mA, VCE = 5.0 V)
VBE(on)
—
V
V
V
SMALL–SIGNAL CHARACTERISTICS
Current – Gain — Bandwidth Product
(IC = 10 mA, VCE = 5.0 V, f = 100 MHz)
fT
BC546
BC547
BC548
MHz
Output Capacitance
(VCB = 10 V, IC = 0, f = 1.0 MHz)
Cobo
—
1.7
4.5
pF
Input Capacitance
(VEB = 0.5 V, IC = 0, f = 1.0 MHz)
Cibo
—
10
—
pF
125
125
125
240
450
—
—
220
330
600
500
900
260
500
900
—
—
—
2.0
2.0
2.0
10
10
10
Small–Signal Current Gain
(IC = 2.0 mA, VCE = 5.0 V, f = 1.0 kHz)
Noise Figure
(IC = 0.2 mA, VCE = 5.0 V, RS = 2 kW,
f = 1.0 kHz, ∆f = 200 Hz)
hfe
BC546
BC547/548
BC547A/548A
BC546B/547B/548B
BC547C/548C
—
NF
BC546
BC547
BC548
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
1.0
VCE = 10 V
TA = 25°C
1.5
0.8
1.0
0.8
0.6
0.4
VBE(sat) @ IC/IB = 10
0.7
VBE(on) @ VCE = 10 V
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.3
VCE(sat) @ IC/IB = 10
0.1
0.2
0.2
0.5
50
2.0
5.0 10
1.0
20
IC, COLLECTOR CURRENT (mAdc)
0
0.1
200
100
Figure 1. Normalized DC Current Gain
50 70 100
θVB, TEMPERATURE COEFFICIENT (mV/ °C)
1.0
TA = 25°C
1.6
IC = 200 mA
1.2
IC = IC = IC = 50 mA
10 mA 20 mA
IC = 100 mA
0.8
0.4
0
0.2 0.3 0.5 0.7 1.0 2.0 3.0 5.0 7.0 10 20 30
IC, COLLECTOR CURRENT (mAdc)
Figure 2. “Saturation” and “On” Voltages
2.0
VCE , COLLECTOR–EMITTER VOLTAGE (V)
TA = 25°C
0.9
V, VOLTAGE (VOLTS)
hFE , NORMALIZED DC CURRENT GAIN
2.0
0.02
10
0.1
1.0
IB, BASE CURRENT (mA)
–55°C to +125°C
1.2
1.6
2.0
2.4
2.8
20
10
1.0
IC, COLLECTOR CURRENT (mA)
0.2
Figure 3. Collector Saturation Region
100
Figure 4. Base–Emitter Temperature Coefficient
10
C, CAPACITANCE (pF)
7.0
TA = 25°C
5.0
Cib
3.0
Cob
2.0
1.0
0.4 0.6 0.8 1.0
4.0 6.0 8.0 10
2.0
VR, REVERSE VOLTAGE (VOLTS)
20
40
f T, CURRENT–GAIN – BANDWIDTH PRODUCT (MHz)
BC547/BC548
Figure 5. Capacitances
Motorola Small–Signal Transistors, FETs and Diodes Device Data
400
300
200
VCE = 10 V
TA = 25°C
100
80
60
40
30
20
0.5 0.7
1.0
2.0 3.0
5.0 7.0 10
20
IC, COLLECTOR CURRENT (mAdc)
30
50
Figure 6. Current–Gain – Bandwidth Product
3
BC547/BC548
TA = 25°C
VCE = 5 V
TA = 25°C
0.8
V, VOLTAGE (VOLTS)
hFE , DC CURRENT GAIN (NORMALIZED)
1.0
2.0
1.0
0.5
VBE(sat) @ IC/IB = 10
0.6
VBE @ VCE = 5.0 V
0.4
0.2
0.2
VCE(sat) @ IC/IB = 10
0
10
100
1.0
IC, COLLECTOR CURRENT (mA)
0.1 0.2
0.2
1.0
0.5
2.0
100
200
50
100
200
–1.0
TA = 25°C
1.6
20 mA
50 mA
100 mA
200 mA
1.2
IC =
10 mA
0.8
0.4
0
50
Figure 8. “On” Voltage
θVB, TEMPERATURE COEFFICIENT (mV/ °C)
VCE , COLLECTOR–EMITTER VOLTAGE (VOLTS)
Figure 7. DC Current Gain
10 20
2.0
5.0
IC, COLLECTOR CURRENT (mA)
0.02
0.05
0.1
0.2
0.5
1.0 2.0
IB, BASE CURRENT (mA)
5.0
10
–1.4
–1.8
θVB for VBE
–55°C to 125°C
–2.2
–2.6
–3.0
20
0.2
Figure 9. Collector Saturation Region
0.5
10 20
5.0
1.0 2.0
IC, COLLECTOR CURRENT (mA)
Figure 10. Base–Emitter Temperature Coefficient
BC546
f T, CURRENT–GAIN – BANDWIDTH PRODUCT
40
C, CAPACITANCE (pF)
TA = 25°C
20
Cib
10
6.0
Cob
4.0
2.0
0.1
0.2
0.5
5.0
1.0 2.0
10 20
VR, REVERSE VOLTAGE (VOLTS)
Figure 11. Capacitance
4
50
100
500
VCE = 5 V
TA = 25°C
200
100
50
20
1.0
5.0 10
50 100
IC, COLLECTOR CURRENT (mA)
Figure 12. Current–Gain – Bandwidth Product
Motorola Small–Signal Transistors, FETs and Diodes Device Data
PACKAGE DIMENSIONS
A
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.
B
R
P
L
F
SEATING
PLANE
K
D
J
X X
G
H
V
C
1
SECTION X–X
N
N
CASE 029–04
(TO–226AA)
ISSUE AD
Motorola Small–Signal Transistors, FETs and Diodes Device Data
DIM
A
B
C
D
F
G
H
J
K
L
N
P
R
V
INCHES
MIN
MAX
0.175
0.205
0.170
0.210
0.125
0.165
0.016
0.022
0.016
0.019
0.045
0.055
0.095
0.105
0.015
0.020
0.500
–––
0.250
–––
0.080
0.105
–––
0.100
0.115
–––
0.135
–––
MILLIMETERS
MIN
MAX
4.45
5.20
4.32
5.33
3.18
4.19
0.41
0.55
0.41
0.48
1.15
1.39
2.42
2.66
0.39
0.50
12.70
–––
6.35
–––
2.04
2.66
–––
2.54
2.93
–––
3.43
–––
STYLE 17:
PIN 1. COLLECTOR
2. BASE
3. EMITTER
5
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6
◊
Motorola Small–Signal Transistors, FETs and Diodes Device Data
BC546/D
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