Experimento 4: Transistores.

Disciplina: EN2701 – Fundamentos de Eletrônica.

Discentes: Fernando Henrique Gomes Zucatelli Pedro Caetano de Oliveira

Turma: A/Noturno

Prof º. Dr. Roberto Jacobe Rodrigues.

Santo André, 16 de Junho 2011.

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1. INTRODUÇÃO

A criação dos transistores por volta de 1951 criou toda uma indústria de

eletrônicos como circuitos integrados, microprocessadores, computadores, celulares

entre outros além de reduzir dimensões e aumentar confiabilidade de outros

dispositivos que se utilizavam de válvulas para seu funcionamento [1].

O transistor bipolar é composto por duas junções PN, podendo estar dispostas

como NPN ou PNP, conforme Figura 1.

Figura 1 – Regiões do transitor nas configurações NPN (a) e PNP (b) [1].

Dos terminais do transistor, o coletor é o mais extenso enquanto que a base é

o menos extenso, fato necessário para que o efeito transistor posso ocorrer, caso

contrário a barreira de potencial seria muito elevada o que prejudicaria os efeitos de

amplificação ou a configuração de transistor como chave [1].

Os efeitos de amplificação de um transistor podem ser vistos na Figura 2. Para

pequenas alterações da corrente na base (IB) têm-se grandes variações na corrente

do coletor (IC). Outra característica do transistor é a possibilidade dele atuar como

uma chave eletrônica, para isso é necessário configurar as resistências para que

dentro da reta carga obtenham-se os pontos de corte, onde toda a tensão da fonte

VCC cai sobre os terminais entre emissor e coletor (VCE) o que implica que a corrente

IC = 0 e o ponto de saturação quanto a VCE=0 o que implica que a corrente IC é

máxima. Essa configuração permite o desenvolvimento de portas lógicas,

implementando a lógica digital baseada em “zeros e uns”, base de toda a tecnologia

da computação desenvolvida ao longo da história.

Figura 2 – Curvas de características de um transistor e pontos de saturação e corte [1].

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2. OBJETIVOS

Compreender a nomenclatura dos terminais de um transistor tal como

identificar sua configuração de junções PNP ou NPN. Analisar as curvas

características e a influência da temperatura sobre o comportamento das junções do

transistor. Simular uma aplicação dos transistores como portas lógicas.

3. PARTE EXPERIMENTAL

Foram usados resistores de 47Ω, 100Ω, 1k8Ω, 4k7Ω (2), 10kΩ e 15kΩ.

Transistores TIP31, BC327, BC337 e 2N3005. Um multímetro digital Marca Minipa

ET-2510 (portátil). Um Protoboard (Matriz de contato). Uma fonte de Tensão Marca

Minipa MPL-3303 e cabos e fios para conexão.

3.1. Identificação da configuração das junções

Para identificar as junções dos transistores acima citados (PNP ou NPN), utilizou-

se um multímetro na função de teste de diodo, intercalando cada uma das pontas de

prova (positiva - vermelha e negativa - terra) por cada par de terminais (Base-

Coletor, Base-Emissor, Coletor-Emissor), segundo especificado pelo fabricante.

Analisou-se se a tensão obtida, sendo que uma tensão infinita significava

polarização reversa e uma finita, polarização direta.

A tensão Coletor-Emissor foi obtida meramente para checagem, já que, sem

falhas no transistor, é sempre de circuito aberto.

3.2. Levantamento da curva característica

A partir do circuito da Figura 3, foi realizado o levantamento da curva

característica do transistor BC337.

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Figura 3 – Circuito para determinação da curva característica.

A tensão da fonte V1 foi ajustada para 0,5V, enquanto a tensão da fonte V2 foi

variada de 0,5V a 5,0V, sempre com um passo de 0,5V.

Essa variação não foi completamente correta, pois o ajuste na fonte de tensão

não era exato.

A tensão no coletor de Q1 foi sempre anotada e repetiu-se o mesmo

procedimento para V1 ajustado em 1V, 2V e 4V.

3.3. Polarização e efeito da temperatura.

Em seguida, foi montado o circuito da Figura 4, tanto com o transistor TIP31

quanto com o BC337.

Figura 4 – Circuito para verificar polarização do transistor e efeito da temperatura.

As tensões dos resistores, bem como no coletor, na base e no emissor foram

medidas para ambos os transistores.

Em seguida, com o resistor de linha (alto dissipador de calor) conduzindo,

elevou-se a temperatura do transistor BC337 através do contato entre eles,

medindo-se então as tensões de base, coletor e emissor.

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3.4. Porta lógica a transistor.

O circuito da figura Figura 5 foi montado no software CircuitMaker® e foram

então, realizadas as seguintes etapas:

Aplicou-se 5V nos emissores de Q2 e Q3, 5V em Q3 e 0V em Q2 (o mesmo

que aplicar 5V em Q2 e 0V em Q3 e 0V em ambos os transistores, medindo sempre

a tensão de saída no coletor de Q1.

Para a simulação, utilizou-se o transistor 2N3005.

Figura 5 – Circuito de porta lógica (a ser identificada) a transistor.

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4. RESULTADOS E DISCUSSÃO

4.1. Identificação da configuração das junções

A Figura 6 mostra os terminais dos transistores analisados e a identificação da

Base (B), Coletor (C), Emissor (E).

Figura 6 – Identificação dos terminais dos transistores utilizados.

A Tabela 1 apresenta os valores das medições dos pares de terminais dos

transistores e o resultado do teste entre parênteses ao lado do código do transistor.

Os transistores que apresentaram tensão diferente de infinito (circuito aberto)

quando polarizada a base com positivo e o terra no coletor e emissor são do tipo

NPN, enquanto que os que apresentaram valor finito quando o terra se encontrava

na base e o positivo no coletor e no emissor são os do tipo PNP.

Todas as combinações foram testadas para verificar se os transistores

apresentavam comportamento correto, em destaque o fato que a tensão entre

emissor e coletor (VCE) deve sempre ser infinita quando não há corrente de base (IB)

o que indica que o transistor não se encontra com mau funcionamento por curto

circuito entre emissor e coletor.

Tabela 1 – Identificação das junções (GND é terra e VM a ponta vermelha (positivo) do multímetro).

TIP31 (NPN) BC327 (PNP) BC337 (NPN) 2N3055 (NPN)

GND VM medição (V) GND VM medição (V) GND VM medição (V) GND VM medição (V)

B C ∞ B C 0,68 B C ∞ B C ∞

B E ∞ B E 0,68 B E ∞ B E ∞

C E ∞ C E ∞ C E ∞ C E ∞

C B 0,57 C B ∞ C B 0,62 C B 0,53

E B 0,56 E B ∞ E B 0,62 E B 0,54

E C ∞ E C ∞ E C ∞ E C ∞

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4.2. Levantamento da curva característica

O circuito para levantar curva característica do transistor e equações das

malhas é o circuito da Figura 7.

Figura 7 – Circuito para levantar curva característica do transistor NPN e equações das malhas.

O sistema de equações para as 2 malhas do circuito a transistor da Figura 7 é

descrito em (1), sendo as correntes I1 e I2 correntes para a análise de malhas.

1 1 2 1 2

2 2 1 1 2

. ( ) 0 ( ).

. ( ) 0 . ( )

BB B BE E B E E BB BE

CC C CE E E C E CE CC

V R I V R I I R R I R I V V

V R I V R I I R I R R I V V

− + + + − = + − = − ⇒

+ + − + − = − + + = − (1)

Sendo que de acordo com o sentido das correntes I1 e I2 adotados na Figura 7

as correntes IC, IB e IE são descritas por (2):

1 2 1 2; ;

B C EI I I I I I I= = − = − (2)

Os valores para a equação (1) são: RB=10kΩ; RC=100Ω; RE=0Ω; VCC=V2;

VBB=V1; VCE=VC-VE = VC (medido), sendo VE =0, pois não há diferença de tensão

entre o emissor e o terra e VBE=0,62V (Tabela 1). Dessa forma pode-se calcular a

corrente IC a partir dos dados da Tabela 2 com uso da equação (3), partindo-se de

(1) e das relações de (2).

4

1 1 1 1 2 1

4

2 2 2 2

( 0). 10 0,62 0,62;

( 0) 100 10100

B BE C

C B

C CE C

R I V V I V V V VI I

R I V V I V V

+ = − = − − −⇒ ⇒ = =

+ = − = − (3)

A Tabela 2 mostra os dados coletados para levantamento da curva

característica do transistor BC337 conforme gráfico da Figura 8.

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Tabela 2 – Dados coletados para confecção da curva característica do transistor BC337.

V1=0,5V; IB ≈ 10µA V1=1,0V; IB ≈ 40µA V1=2,0V; IB ≈ 100µA V1=4,0V; IB ≈ 300µA

V2 (V) Vc (V) Ic (mA) V2 (V) Vc (V) Ic (mA) V2 (V) Vc (V) Ic (mA) V2 (V) Vc (V) Ic (mA)

0,5 0,400 0,001 0,5 0,147 3,530 0,5 0,057 4,430 0,5 0,035 4,650

1,0 0,925 0,750 1,0 0,712 2,880 1,0 0,087 9,130 1,0 0,056 9,440

1,5 1,461 0,390 1,5 1,381 1,190 1,5 0,111 13,890 1,5 0,071 14,290

2,0 1,906 0,940 2,0 1,953 0,470 2,0 0,137 18,630 2,0 0,084 19,160

2,5 2,430 0,700 2,5 2,284 2,160 2,5 0,176 23,240 2,5 0,092 24,080

3,0 2,871 1,290 3,0 2,602 3,980 3,0 0,237 27,630 3,0 0,108 28,920

3,5 3,382 1,180 3,5 3,263 2,370 3,5 0,724 27,760 3,5 0,118 33,820

4,0 3,844 1,560 4,0 3,800 2,000 4,0 1,280 27,200 4,0 0,129 38,710

4,5 4,481 0,190 4,5 4,095 4,050 4,5 1,740 27,600 4,5 0,145 43,550

5,0 4,894 1,060 5,0 4,663 3,370 5,0 2,130 28,700 5,0 0,160 48,400

Figura 8 – Gráfico da corrente IC x tensão VCE do transistor BC337.

De acordo com o gráfico da Figura 8 nota-se que para valores de V1 menores

que 1V (correntes menores que 50 µA) a corrente de coletor oscilou próximo do valor

zero para todas as tensões aplicadas no teste e como a tensão VC é praticamente

toda a tensão da fonte, constata-se que o transistor está operando como um circuito

aberto.

A curva quando V1=2V apresenta um crescimento inicial aparentemente linear,

todavia após um dado valor de VCE, a corrente IC para a ser constante, i.e. cada

acréscimo na fonte V2 implica em um igual acréscimo de VCE, neste caso, a

capacidade do transistor de amplificar a corrente está saturada.

Por fim, a curva para V1=4V, indica que a corrente IC tem alta taxa de

crescimento em pequenas variações de VCE que está sempre muito próximo de zero,

neste caso o transistor está se comportando como um curto circuito.

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4.3. Polarização e efeito da temperatura.

A Tabela 3 mostra dos dados das tensões dos resistores e das junções do

transistor TIP31 e BC337 conforme circuito da Figura 4.

Tabela 3 – Dados coletados para confecção da curva característica do transistor BC337.

TIP31 BC337 BC337*

VR1 3,536 V 3,492 V -

VR2 2,034 V 1,953 V -

VR3 0,964 V 0,938 V -

VR4 1,580 V 1,602 V -

VBC 1,507 V 1,533 V 1,333 V

VCE 2,123 V 2,194 V 1,921 V

VBE 0,616 V 0,663 V 0,592 V

*Dados coletados com o transistor BC337 sob a influência do calor fornecido pelo resistor de fio.

Nota-se que a diferença entre os valores obtidos para o TIP31 e o BC337 a

temperatura ambiente não foram muito distintos, todavia, as tensões nos resistores

com o TIP foram sempre ligeiramente maiores que as mesmas tensões durante o

uso do BC337, consequentemente, as tensões sobre os terminais do TIP31 foram

ligeiramente menores.

Ao se aproximar do transistor BC337 um resistor de potência (de fio) aquecido

de forma que o transistor estivesse sob a influência da temperatura elevada notou-

se que as tensões sobre os terminais do transistor foram menores do que quando

este se encontrava a temperatura ambiente, isso se deve ao fato de que a

temperatura propícia maior grau de ionização (térmica) dos átomos do transistor,

dessa forma é necessário fornecer uma menor quantidade de energia para que os

elétrons cheguem à camada de condução. Entretanto, o aumento de temperatura de

forma a superar o limite previsto no projeto do componente pode ser prejudicial, pois

além de literalmente queimar o componente, a diminuição da tensão nos terminais

significa aumento da tensão nos demais componentes do circuito conforme visto na

Tabela 3 comparando-se o TIP31 com o BC337, assim os demais componentes

para apresentar defeitos devido à sobre tensão em seus terminais.

4.4. Porta lógica a transistor.

Realizada a simulação, foram obtidos os valores apresentados na Tabela 4.

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Tabela 4 – Resultados da simulação (valor em parênteses corresponde a valor booleano).

Q2 (entrada) Q3 (entrada) Q1 (saída)

0V (0) 0V (0) 5V (1)

5V (1) 0V (0) 5V (1)

0V (0) 5V (1) 5V (1)

5V (1) 5V (1) 19,4mV (0)

As Figuras 9, 10 e 11 a seguir apresentam as simulações realizadas.

Figura 9 – Simulação do circuito (ambas entradas 0V).

Figura 10 – Simulação do circuito (uma entrada 0V e a outra 5V).

Figura 11 – Simulação do circuito (ambas as entradas 5V).

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Assim, pode-se perceber que o circuito apresenta uma operação booleana de

NAND, ou seja, um NOT da operação AND, já que se tem o oposto do que

aconteceria para um AND, com duas entradas verdadeiras dando como saída uma

falsa e as demais combinações de entrada dando como saída uma resposta

verdadeira.

5. CONCLUSÃO

Transistores são dispositivos eletrônicos baseados nas propriedades da junção

PN que permitem amplificar/controlar sinais maiores a partir pequenas correntes na

base, efeito visualizado na Figura 8.

O efeito da temperatura sobre o transistor reduz a tensão em seus terminais o

que implica em sobre tensões sobre os demais componentes do circuito.

Os transistores podem ser dispostos em configurações que permitam seu uso

como portas lógicas, estabelecendo operações que apenas os diodos não são

capazes. Nesse caso, criou-se a operação NAND.

6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

[1] MALVINO, Albert P. Eletrônica. 1.ed. São Paulo, McGraw-hill, 1987.