a)
Projete um circuito multivibrador biestável alimentado com 9 V para comandar o acionamento de uma carga DC que consome 610 mA . Use dois transistores diferentes dentre os modelos descritos na tabela abaixo para seu projeto e adote valores comerciais para os demais componentes do circuito.
Modelo
I
(A)
I
V
V
TBJ1
1,5
450
1,00
0,85
TBJ2
1,0
130
0,70
0,80
TBJ3
0,1
10
0,65
0,40
TBJ4
0,3
25
0,60
0,25
Valores comerciais de componentes (R, L, C): 101215182227333947566882.
b)
Adicione ao biestável da letra a um circuito de gatilho assimétrico pela base com transistor auxiliar disparado com pulsos de 9 V e calcule os componentes necessários. Utilize um modelo de transistor diferente dos escolhidos na letra a e adote valores comerciais.
| Modelo | I
|
I
|
|
V
|
V
|
| TBJ1 | 1,5 | 450 |
|
1,00 | 0,85 |
| TBJ2 | 1,0 | 130 |
|
0,70 | 0,80 |
| TBJ3 | 0,1 | 10 |
|
0,65 | 0,40 |
| TBJ4 | 0,3 | 25 |
|
0,60 | 0,25 |
b)
Passo 1
O enunciado pede duas coisas:
a) Projetar um multivibrador biestável alimentado com que comande uma carga DC que consome
. Usar dois transistores diferentes da tabela e escolher valores comerciais para os demais componentes (R, L, C — aqui só usaremos resistores comerciais). A tabela fornece para cada modelo
,
,
(faixa),
e
. Os valores comerciais permitidos seguem a família E12:
multiplicados por potências de 10 (ex.:
, etc.).
b) Acrescentar ao biestável da letra (a) um circuito de gatilho assimétrico pela base com um transistor auxiliar disparado por pulsos de ; este transistor auxiliar deve ser de um modelo diferente dos dois usados na letra (a). Calcular os componentes necessários e escolher valores comerciais.
a) Projetar um multivibrador biestável alimentado com
b) Acrescentar ao biestável da letra (a) um circuito de gatilho assimétrico pela base com um transistor auxiliar disparado por pulsos de
Informações relevantes dadas pelo enunciado e pela tabela (vou referir cada valor quando usar):
- Fonte
. - Carga que consome
. (Se for uma carga resistiva equivalente, .) - Modelos disponíveis: TBJ1 (
), TBJ2 ( ), TBJ3 ( ), TBJ4 ( ). - Valores comerciais permitidos (mantissas E12, aplicáveis a qualquer década):
.
Passo 2
Escolha dos transistores para o biestável (letra a). Raciocínio: a carga pede
. Só os modelos com
maiores que isso são viáveis para atuar como transistor de potência no biestável. Da tabela somente TBJ1 (
) e TBJ2 (
) suportam
. Como o enunciado exige usar dois transistores diferentes, escolho:
-
TBJ1 como transistor de potência que vai conduzir a carga . -
TBJ2 como o segundo transistor do par cruzado.
Justificativa: TBJ3 e TBJ4 têm
muito baixos para conduzir a carga principal.
Passo 3
Topologia escolhida e explicação didática do funcionamento (sem pular etapas).
- Usarei o biestável clássico com dois NPN cruzados: cada coletor é ligado ao
por um resistor de coletor; os coletores são ligados às bases opostas por resistores de realimentação (resistores base-entre-coletores). Aqui substituímos o resistor de coletor do transistor que alimenta a carga pelo próprio circuito da carga: a carga vai de ao coletor de (configuração de chave low-side). O coletor de deve ter um pequeno resistor de coletor (ou pode ser pequeno valor) que, em conjunto com o resistor de realimentação , determina a corrente de base de quando está desligado. O nó do coletor de fornece corrente para a base de através de . Simetricamente, o coletor de (quando está desligado e, portanto, perto de ) fornece corrente para a base de através de . Assim o circuito tem dois estados estáveis: uma transistor saturado e o outro cortado, e vice-versa.
Para dimensionar resistores precisamos saber quanta corrente de base é necessária para saturar
com
e também garantir que
possa fornecer/afastar essa corrente quando necessário.
Passo 4
Cálculo da corrente de base necessária para o transistor de potência
(TBJ1). Conceito: em saturação devemos forçar uma relação
(menor que
) para garantir saturação. Escolhemos um valor conservador
(prática comum em chaveamento de potência: força menor para garantir saturação). Assim:
Com
e
,
Explicação: precisamos entregar cerca de
na base de
para garantir que ele entre em saturação controlando os
do coletor.
Passo 5
Cálculo de
e escolha de
(o resistor no coletor de
). Modelo do caminho de alimentação da base de
: quando
está desligado, sua tensão de coletor estará próxima de
e a corrente de base de
circulará por
e por
em série até a base-emissor de
. Aproximação e equação (todas as tensões em volts, correntes em ampères):
Aqui uso
(TBJ1) fornecido na tabela:
. Vou escolher um
muito pequeno para não prejudicar a entrega de corrente de base (ele só deve permitir o nó coletor de
a subir quando
está cortado e limitar correntes quando
conduz). Escolho
(valor comercial E12: mantissa
com década
→
). Agora resolvo para
:
Colocando
,
,
alvo
:
Subtraindo
:
Escolho o valor comercial mais próximo da série E12:
(E12). Agora recalculo a corrente real obtida:
Isso dá uma
efetiva:
o que é aceitável (mais força de saturação que o objetivo inicial).
Observação didática: escolhemos
menor (120
) que o valor exato para garantir margem; essa escolha aumenta um pouco a corrente de base e, portanto, a segurança de saturação. Lembre-se em prova de justificar escolha entre valores comerciais mais próximos.
Passo 6
Cálculo de
(resistor que liga o coletor de
à base de
) levando em conta a presença da carga no coletor de
. Primeiro, estimamos a resistência equivalente da carga (se for resistiva) para usar nas equações; se a carga for uma carga qualquer, seu nó comporta-se como resistência equivalente de valor:
Para escolher um valor comercial simples, tomo
(E12:
). Isso ajuda nos cálculos — se sua carga for um motor ou outro dispositivo, use sua resistência equivalente dinâmica; aqui usamos o valor resistivo para dimensionar a realimentação.
Quando
está desligado (coletor próximo de
), a corrente de base de
passa de
através de
e
até a base de
, ou seja:
Qual deve ser
? Quando
precisa saturar para puxar a base de
a zero (estado complementar),
terá que drenar a corrente de base de
que encontramos em
. Assim
terá que suportar
de coletor durante esse evento. Para saturar
escolhemos também um
prático, por exemplo
(novamente para garantir saturação). Então:
Agora calculamos
a partir da equação acima:
Logo
Escolho o valor comercial mais próximo da série E12:
. Verificação da corrente real:
Isto fornece
, que é consistente com a nossa meta.
Passo 7
Resumo dos cálculos intermediários e checagens (segurança e potências):
- Resistência equivalente da carga (se resistiva):
. - Valores escolhidos:
, , .
Cálculos de potência dos resistores críticos: - Potência em
: tensão sobre . Potência . Conclusão: usar resistor de para . - Potência em
: (irrisória). - Potência em
: (um resistor padrão de 1/4 W é suficiente).
Checagem de dissipação nos transistores (ordem de grandeza): usar
da tabela como aproximação do
em saturação para estimar perda:
-
(TBJ1): (resfriamento/heat-sink leve pode ser recomendável dependendo do encapsulamento). -
(TBJ2) durante condução de : (tranquilo).
Passo 8
Desenho lógico final do biestável (explicação de ligação dos componentes):
-
positivo. - Carga
(ou carga DC real) entre e o coletor de (TBJ1). O emissor de ao terra. Assim quando conduz, ele fornece os para a carga. - Coletor de
(TBJ2) ligado a através de . E também o nó coletor de ligado à base de através de . - Coletor de
(o nó da carga) ligado à base de através de . Emissores de ambos ao terra. - Não é obrigatório adicionar resistores de pull-down extra nas bases; os
fazem a realimentação e definem os estados. Em projeto real, pode-se acrescentar resistores adicionais para ajustar níveis e tempos, mas para a prova este arranjo é o padrão.
Passo 9
Projeto do gatilho assimétrico pela base (letra b). Escolha do transistor auxiliar: deve ser diferente dos usados em (a) (TBJ1 e TBJ2). Das opções restantes escolho
TBJ4 (tem
,
,
alta), suficiente para atuar como transistor de disparo que vai temporariamente puxar a base de
a zero (gatilho assimétrico pela base). Topologia do gatilho (estratégia prática e simples): usar um NPN auxiliar com emissor ao terra e coletor diretamente no nó da base de
(nó entre
e
no caso do outro ramo); quando houver um pulso positivo de
na entrada de disparo, este pulso, através de um resistor de base do auxiliar
, liga o auxiliar e faz com que ele coma (drene) a corrente de base de
, forçando
a desligar — assim temos um pulso assimétrico que força um dos estados. (Explicação didática: o auxiliar age como um “pulso que puxa a base para terra”, forçando a mudança de estado.)
Dimensionamento do resistor de base do transistor auxiliar
:
- Corrente máxima que o auxiliar terá de drenar no coletor é a corrente de base de
calculada antes: . - Escolho um
(suficiente para saturar o auxiliar sem pedir muita corrente de base). Assim a corrente de base do auxiliar deverá ser:
- O pulso de disparo é de
. O do TBJ4 (tabela) é . Logo:
Escolho o valor comercial E12 mais próximo:
. Isso dá uma corrente de base real:
portanto
, suficiente para drenar os
da base de
(na prática o
real pode ser um pouco maior e o dimensionamento é seguro).
Checagens rápidas:
-
OK. -
OK.
Conexões práticas do gatilho: o coletor de
ao nó base de
(entre
e
), o emissor ao terra, a entrada de pulso de
através de
à base de
. Quando o pulso está presente
liga e puxa a base de
para zero, forçando o estado desejado.
Passo 10
Lista final de componentes comerciais selecionados e observações práticas (resumo para usar na prova):
- Transistores:
TBJ1 (driver de carga), TBJ2 (segundo transistor do biestável). - Resistores:
(1 W recomendado), (1/2 W ou 1 W), (1/4 W), (se a carga for resistiva, para ; se a carga for real, não substitua por resistor). - Gatilho (transistor auxiliar):
TBJ4; na base do auxiliar (1/4 W). - Observações: dimensione dissipadores para
se for necessário na prática; deve ser de 1 W para suportar . Em uma implementação real, também pode ser conveniente incluir pequenos diodos de proteção ou RC para debouncing/filtragem do pulso de entrada.
Resposta
a) Usei
TBJ1 e
TBJ2. Valores comerciais escolhidos:
,
(1 W),
(1/4 W). Carga equivalente resistiva
para
.
b) Gatilho assimétrico: usei TBJ4; resistor de base do auxiliar
. O auxiliar (coletor) conecta ao nó da base de
para puxá-la à terra quando recebido pulso de
.
b) Gatilho assimétrico: usei