ETAPA 2

Passo 1

BJT – Transistor bipolar de junção

Simbologia

O transistor bipolar de junção BJT é um dispositivo semicondutor de três terminais: a

base, o coletor e o emissor. Em suma, a tensão de base controla o fluxo de corrente entre o

coletor e o emissor.

A polarização DC adequada se faz necessária para estabelecer a região ideal de operação

para a amplificação AC como será mostrado mais a frente. Os terminais são normalmente

indicados pelas letras maiúsculas E – emissor, C – coletor e B – base.

O fluxo de corrente nesses dispositivos ocorre do emissor para o coletor nos transistores

PNP e docoletor para o emissor nos NPN.

Para o BJT trabalhar como chave eletrônica é preciso polarizá-lo nas regiões de corte e

saturação e como amplificador, na região ativa.

De modo geral, o BJT de potência segue os mesmos parâmetros do transistor de sinal.

Algumas características são próprias devido aos níveis de correntes e tensões que o

dispositivo trabalha.

Passo 2

Passo 2

UJT – Transistor de unijunção

Simbologia

O UJT é um dispositivo semicondutor de três terminais com apenas uma junção PN.

O circuito tradicional de disparo usando o UJT é chamado de oscilador de relaxação.

O UJT tem dois parâmetros importantes:

Tensão de Disparo (VP)

Tensão de Vale (VV)

O primeiro diz o valor de tensão necessário para fazer conduzir o caminho entre o emissor

(E) e a base 1. O segundo informa o valor detensão que, após a entrada em condução,

bloqueia o citado caminho. Em outras palavras, estes parâmetros indicam o início e o fim do

disparo do UJT.

MOSFET – Transistor de efeito de campo metal-óxido-semicondutor

Simbologia

O transistor de efeito de campo de semicondutor de óxido metálico (MOSFET) de

potência é um dispositivo para uso como chave em níveis de potência. Os terminais

principais são o dreno e a fonte, com a corrente fluindo do dreno para a fonte e sendo

controlada pela tensão entre a porta e a fonte.

O MOSFET é um transistor de chaveamento rápido, caracterizado por uma alta impedância

de entrada, apropriado para potências baixas (até alguns quilowatts) e para aplicações de

alta frequência (até 100kHz).

Um MOSFET tem aplicações importantes em fontes de alimentação chaveadas, nas quais

frequências altas de chaveamento subentendem componentes menores e mais econômicos,

além de motores de baixa velocidade de controle que utilizem modulação por largura de

pulso – PWM).

Os MOSFETs estão disponíveis no mercado nos tipos canal N e canal P. Entretanto,

os dispositivos em canal N têm valores nominais de corrente e tensão mais altos.

Devido à alta resistência de porta, a corrente de controle é praticamente nula, propiciando

um controle de condução entre dreno e fonte a partir de uma tensão aplicada no terminal de

porta. Ainda, pela baixíssima necessidade de corrente de controle, é possível comutar a

condução do MOSFET através de circuitos microcontrolados.

O MOSFET é bem mais rápido nas comutações que o TJB,entretanto fornece mais perdas

de condução na saturação, mas, infelizmente sozinho não consegue bloquear uma tensão

reversa entre dreno e fonte. Isto de deve ao um diodo acoplado internamente a sua

estrutura em antiparalelo. Este diodo é chamado de diodo de corpo e serve para permitir um

caminho de retorno para a corrente para a maioria das aplicações de chaveamento.

IGBT – Transistor bipolar de porta isolada

Simbologia

O transistor bipolar de porta isolada (IGBT) mescla as características de baixa queda de

tensão de saturação do TJB com as excelentes características de chaveamento e

simplicidade dos circuitos de controle da porta do MOSFET.

Os IGBTs substituem os MOSFETS em aplicações de alta tensão, nas quais as perdas na

condução precisam ser mantidas em valores baixos. Embora as velocidades de

chaveamento dos IGBTs sejam maiores (até 50 kHz) do que as dos TJBs são menores que

as dos MOSFETs.

Portanto, as frequências máximas de chaveamento possíveis com IGBT ficam entre as dos

TJBs e as dos MOSFETs. Ao contrário do que ocorre no MOSFET, o IGBT não tem

qualquer diodo reverso interno. Assim, sua capacidade de bloqueio para tensões inversas é

muito ruim. A tensão inversa máxima que ele pode suportar é de menos de 10V.

A curva característica do diodo zener é da seguinte forma, através dela é possível o

estudo das diferentes regiões de operação do mesmo. Ela exibe o comportamento do

dispositivo nas regiões direta e reversa e os valores de tensão e corrente para cada ponto da

faixa de operação, os díodos zener são definidos pela sua tensão de zener (Vz) mas para que

possa existir regulação/estabilização de tensão aos seus terminais a corrente que circula pelo

díodo zener (Iz) deve manter-se entre os valores de corrente zener definidos como máximo e

mínimo, pois se é menor que o valor mínimo, não permite a regulação da tensão e, se é maior,

pode romper a junção PN por excesso de corrente. Quando um díodo zener trabalha na zona

de ruptura, um aumento na corrente produz um ligeiro aumento na tensão. Isto significa que o

díodo zener tem uma pequena resistência que também é denominada impedância zener.

As características técnicas que devem ser respeitadas para que o diodo zener não

queime e nem ocorra um curto-circuito ou abertura da junção são:

TENSÃO ZENER: É o valor de tensão no qual o diodo zener entra em condução,

quando polarizado reversamente. Os valores de tensão são padronizados pelos fabricantes.

POTÊNCIA ZENER: É a potência que o diodo zener pode dissipar, quando percorrido

pela corrente reversa. Seu valor é expresso pela fórmula Pz = Iz.Vz, No mercado são comuns

diodos zener com potências zener entre 400mW e 1W.

COEFICIENTE DE TEMPERATURA: A tensão zener se modifica pela ação da

temperatura, a tensão pode subir ou descer com o aumento da temperatura, porém em faixas

de valores pequenos.

TOLERÂNCIA: É o valor da tensão zener em relação à tensão zener especificada

pelos fabricantes.

CORRENTE ZENER MÁXIMA: Máximo valor de corrente que o diodo zener

suporta, quando em condução na polarização reversa. Iz máx = Pz / Vz. É aconselhável que se

utilize 70% do seu valor máximo.

CORRENTE ZENER MÍNIMA (Iz mín): Mínimo valor de corrente que o diodo zener

necessita para que ele mantenha estável a tensão nos seus terminais Iz mín = Iz máx / 10.

Aplicação

O diodo zener quando polarizado inversamente (ânodo a um potencial negativo em

relação ao cátodo) permite manter uma tensão constante aos seus terminais (VZ) sendo por

isso muito utilizado na estabilização ou regulação da tensão nos circuitos,como pode ser

visualizado no circuito abaixo.

Para que este tipo de circuito funcione de maneira adequada, são necessárias algumas

regras, que garantam o bom funcionamento e eficiência da estabilização do dispositivo.

O diodo zener tem que se encontrar polarizado inversamente, tensão de alimentação

do circuito tem que ser superior a tensão de zener do díodo e a carga ou cargas do circuito tem

que estar ligadas em paralelo com o díodo zener.

Para que ocorra o efeito estabilizador de tensão é necessário que o diodo zener

trabalhe dentro da zona de ruptura, respeitando-se as especificações da corrente máxima e de

corrente mínima, para que a tensão não sofra variações nos seus terminais, para isto é

utilizado um resistor limitador este garante as limitações de corrente e absorção da tensão não

establizada proveniente da fonte geradora.

Transistor Bipolar (polarizado na região de amplificação)

Um transístor funciona como amplificador, quando a corrente de base oscila entre zero

e um valor máximo. Neste caso, a corrente do coletor é um múltiplo da corrente de base. Se

aplicarmos na base do transistor um sinal, vamos obter uma corrente mais elevada no coletor

proporcional ao sinal aplicado, por este motivo este transistor é um amplificador.

Características:

Existem três configurações básicas de operação para o transistor bipolar

- Base-comum

- Coletor-comum

- Emissor-comum

Existem três regiões de operação para o transistor : Coletor comum, Base Comun e

Emissor comum. No Coletor comum, o transistor está desligado ou a corrente IB não é grande

o suficiente para ligá-lo e as junções estão reversamente polarizadas. No Emissor comum, o

transistor funciona como um amplificador onde IC é amplificada pelo ganho de corrente β e a

diminuição da queda VCE. A junção coletor-base está reversamente polarizada e a junção

base-emissor, diretamente polarizada. No Base comum, a corrente de base IB é

suficientemente grande, fazendo com que a tensão VCE seja muito baixa. Assim, o transistor

opera como chave. Ambas as junções estão diretamente polarizadas. A curva mostrada baixo

dá a característica de transferência VCE x IB.

Condições para operar nessa região:

* Junção base-emissor diretamente polarizada → VBE > tensão limiar;

* Junção base-coletor inversamente polarizada → 0 < VBC < VCC e

* 0 < VCE < VCC

Obs.: Tensão limear é definida pelo material com que é feito o transistor, caso seja o

silício, o valor dessa grandeza será de 0,6 V.

* Corrente do coletor determinada pela expressão IC = βCC x IB, onde βCC é o ganho

estático de corrente do transistor (relação entre as correntes que sai pelo coletor e que entra no

emissor);

* Amplificação de sinal da tensão (variável) com ganho da ordem de centenas.

Passo 2

Regulador Série

Transistorizado

O regulador série é na realidade uma fonte de alimentação regulada mais sofisticada

em relação aos reguladores que utilizam apenas diodo zener.

O diodo zener atua apenas como elemento de referência enquanto que o transistor é o

elemento regulador ou de controle. Observa-se que o transistor está em série com a carga, daí

o nome de regulador série transistorizado.

FUNCIONAMENTO:

A tensão de saída estará disponível na carga (VL), então: VL = VZ - VBE

Como VZ >> VBE podemos aproximar: VL = VZ

Sendo VZ constante, a tensão no ponto "x" será constante

Caso VIN aumente podemos analisar o que acontece aplicando LKT:

VIN = VR + VZ, mas VR = VCB, logo: VIN = VCB + VZ

VCE = VCB + VBE

Portanto, quando VIN aumenta, como VZ é constante, VCB também aumentará

provocando um aumento de VCE, de modo a suprir a variação na entrada, mantendo

VL constante.

Considerando os valores abaixo:

Tensão de entrada = Vin=20Vdc ±5 %

Tensão de saída = Vout=12Vdc±2 %

Corrente Máxima de Saída = IL=0,2 A±10 %

Através dos cálculos faremos a definição dos componentes para a funcionalidade do

circuito.

Escolha do Transistor:

Vcbo > Vin(MAX) = 20 + 5% = 21V

Ic(MAX) > IL(MAX) = 0,22A

Pc(MAX) > (Vin(MAX) – VL) * Ic(MAX)

Supondo que o transistor utilizado seja o BD135, de acordo com o fabricante, suas

especificações são:

Vcbo = 45V

Ic(MAX) = 1,5A

Pc(MAX) = 12,5W

40 < β > 100

O transistor escolhido (BD135) atende as especificações de Vcbo e Ic (MAX), no entanto

é necessário verificar se a potência a ser dissipada pelo coletor é suficiente para o objetivo do

projeto.

Pc(MAX) = (Vin(MAX) – VL) * Ic(MAX)

Ic (MAX )= IL (MAX )

1+1

β (min)

Ic (MAX )= 0,22

1+140

Ic(MAX) = 0,21 A

Pc(MAX) = (21 - 12) * 0,21

Pc(MAX) = 1,89 W

A potência máxima dissipada no circuito será de aproximadamente 2W e o transistor

BD135 suporta até 12,5W, então o transistor atende totalmente ao circuito.

Escolha do diodo zener:

O diodo zener deverá ter uma tensão nominal de 12,7V, já que VL = Vz – Vbe e

Vbe=0,7V. O valor comercial mais próximo encontrado é o 1N964B, com tensão nominal de

13V, Pz(MAX) = 500mW e Iz(MIN) = 9,5mA.

Iz (max )=0,5W13V

=38,4mA

Com isso teremos um valor aproximado de 12,3V na saída o que está bem próximo do

valor máximo de saída.

Verificando se o diodo zener pode ser utilizado:

Iz (max )=Vin (max )−VzVin (min )−Vz

x (Iz (min )+ Ib (max ))

Ib (max )= Ic (max )β (min)

=0,2140

=5,25mA

Iz (max )=21V−13V19V−13V

x (9,5mA+5,25mA )

Iz (max )=86x14,75mA

Iz (max )=19,66mA

Como Iz(MAX) teórico = 38,4mA e Iz(MAX) do circuito = 19,66mA, o diodo zener

1N946B pode ser utilizado.

Cálculo de R:

Para a máxima tensão de entrada: Vin(MAX) = 21V

Vin(MAX) = R(Ib(MIN) + Iz(MAX)) + Vz

Na pior condição, onde RL = ∞ Ib(MIN) = 0

R=Vin (max )−VzIz(max)

=21V−13V38,4mA

=208,33Ω

Para a mínima tensão de entrada: Vin(MIN) = 19V

R=Vin (min )−Vz

Ib (max )+ Iz(min)= 19V−13V

5,25mA+9,5mA=406 ,78Ω

O valor de R deverá ser maior que 208,33 Ω e menor que 406,78Ω. Será utilizado o

resistor de valor comercial de 300Ω, o que mais se aproxima do valor médio, 307,5Ω.

Potência dissipada pelo resistor:

P= E2

R=

(Vin (max )−Vz)2

R=

(21−13)2

300=0,213W

O resistor será então de 300Ω e 14

W.

Portanto serão utilizados o Transistor BD135, o diodo zener 1N964B e um resistor de

300Ω e 14

W.

Passo 3

Regulador Paralelo Transistorizado

A exemplo do regulador série, o transistor atua como elemento de controle e o zener

como elemento de referência. Como a carga fica em paralelo com o transistor, daí a

denominação de Regulador paralelo Transistorizado, cujo circuito é mostrado acima.

A análise do seu funcionamento segue basicamente os mesmos princípios do regulador

série, no que diz respeito aos parâmetros do transistor e do diodo zener.

Funcionamento

VZ = VCB como VZ é constante, VCB será constante

VCE = VCB + VBE, mas VCB >> VBE

logo: VCE = VCB, onde VCE = VZ

Ao variar a tensão de entrada dentro de certos limites, como VZ é fixa, variará

VBE variando a corrente IB e consequentemente IC. Em outras palavras, variando-se a tensão de

entrada ocorrerá uma atuação na corrente de base a qual controla a corrente de coletor.

Neste caso, VCE tende a parmanecer constante desde que IZ não assuma valores

menores que IZ(MIN) e maiores que IZ(MAX).

Considerando os valores abaixo:

Tensão de entrada = Vin=20Vdc ±5 %

Tensão de saída = Vout=12Vdc±2 %

Corrente Máxima de Saída = IL=0,2 A±10 %

Através dos cálculos faremos a definição dos componentes para a funcionalidade do

circuito.

Escolha do transistor

A escolha do transistor deve atender as seguintes características:

O transistor escolhido foi o TIP31, cuja especificação de acordo com o fabricante é:

Vceo = 40V

Ic(MAX) = 3A

Pc(MAX) = 40W

10 < β > 50

Escolha do diodo zener

Como VL = Vce, e Vce tem um valor aproximado ao de Vz, o diodo zener escolhido

será um de 12V.

O diodo zener escolhido foi o 1N5242, com tensão nominal de 12V, Pz(MAX)=500mW e

Iz(MIN) = 9,5mA.

Iz (max )=0,5W12V

=41,6mA

Através da fórmula abaixo podemos determinar se o diodo zener escolhido pode ser

utilizado:

Iz (max )=[(Vin (max )−Vz−VbeVin (max )−Vz−Vbe ) x ( Iz (min )+ IL (max )+β (min )∗Iz(min))] x 1

β (min )+1

Iz (max )=[( 21−12−0,719−12−0,7 )x (9,5mA+220mA+10∗9,5mA )]x 1

11

Iz (max )=[( 8,36,3 )x (324,5mA )] x90,9mA

Iz (max )=38,86mA

Como Iz(MAX) teórico = 41,6mA e Iz(MAX) do circuito = 38,86mA, o diodo zener 1N5242

é compatível.

Cálculo Ic(MAX):

Ic (max )=β (min ) x ( Iz (max )−Iz(min))

Ic (max )=10 x (38,86mA−9,5mA )

Ic (max )=293,6mA

Como o valor de Ic(MAX) do circuito é 293,6mA e o transistor escolhido suporta até 3A,

o mesmo atende ao objetivo do circuito.

Cálculo Pc(MAX):

Pc (max )=(Vz+Vbe ) x Ic(max)

Pc (max )=(12+0,7 ) x 293,6mA

Pc (max )=3,72W

O valor da potência máxima dissipada do transistor escolhido é de 40W, portanto o

mesmo é aplicável o projeto.

Cálculo de R2

R2= VbeIz(min)

= 0,79,5mA

=73,68Ω

O resistor R2 utilizado será de 75Ω.

Cálculo de R1

R1=Vin (min )−Vz−Vbe

Iz (min )+ Ic (min )+ IL (max)

R1= 19−12−0,79,5mA+0+220mA

= 6,3229,5mA

=27,45Ω

R1=Vin (max )−Vz−VbeIz (max )+ Ic (max )

R1= 21−12−0,741,6mA+293,6mA

= 8,3335,2mA

=24,76Ω

Portanto, R1 deverá ser maior que 24,76Ω e menor que 27,45Ω, utilizando um

comercial no valor de 27Ω.

Cálculo da potência dissipada por R1:

PR 1=(Vin (max )−Vz−Vbe )2

R1

PR 1=(8,3 )2

27=2,55W

O resistor deverá ter uma potência de 3W.

Portanto serão utilizados o Transistor TIP31, o diodo zener 1N5242, um resistor (R1)

de 27Ω e 3W e outro resistor (R2) de 75Ω.

Passo 4

Utilizando um amplificador operacional 741 podemos tornar variável a tensão de saída

de um regulador 7805, obtendo com isso uma fonte de 7 a 30 volts. A tensão de entrada deve

ser de 35 volts e o potenciômetro de 10KΩ deve ser linear. Os capacitores de desacoplamento

devem ser cerâmicos de boa qualidade.

No próximo circuito temos a aplicação imediata num regulador positivo de 1 ampere

para tensões de 5 a 24 volts com corrente de até 1 ampere.

O capacitor de 330 nF desacopla a entrada do estabilizador enquanto o de 100 nF, que

deve ser cerâmico de boa qualidade, tem por finalidade evitar oscilações em altas frequências

e também desacopla a saída.

Este circuito abaixo é um estabilizador ou regulador de corrente ou seja uma fonte de corrente

constante podendo servir para um excelente carregador de pilhas de nicádmo, pequenas

baterias e até mesmo baterias de moto e crro em regime de carga lenta.

A intensidade da corrente é dada pelo quociente Vs/R1 é a resistência limitadora e Vs é a

tensão de entrada do circuito integrado.Lembramos que os valores devem ser calculados tendo

por limite 1 ampére, que é justamente a corrente máxima de saída do circuito integrado.

Referências

www.datasheetcatalog.net/pt/datasheets_pdf/B/D/1/3/ BD135 .shtml

http://pdf.datasheetcatalog.net/datasheet2/8/0ulcqukyp8q9g18y9yqgxd2l1wky.pdf

http://html.alldatasheet.com/html-pdf/61878/GE/1N964B/45/2/1N964B.html

http://eletricamentefalando.blogspot.com.br/2011/08/valores-comerciais-de-

resistores.html