Projetar um inversor para que forneça na saída uma corrente máxima de 20 mA e uma tensão de
circuito recebe um sinal quadrático de
. Considere que
. Esboce o circuito completo. ( 3 pontos)
Passo 1
O enunciado pede que a gente projete um inversor (porta NOT) com as seguintes especificações e dados fornecidos:
- Tensão de alimentação/saída máxima:
. - Corrente máxima disponível/que o ponto de saída deve fornecer:
. - O circuito recebe um sinal de entrada quadrado com níveis
. - Ganho DC do transistor (hFE):
. - Pedido explícito: esboçar o circuito completo (ou seja, indicar transistor, resistores e ligações).
Nada mais foi dado (por exemplo, tensões de saturação), então teremos que explicitar e usar suposições típicas de projeto onde necessário.
Passo 2
Escolha do arranjo e explicação do funcionamento básico (sem usar jargões complexos):
- Vamos usar um transistor bipolar NPN em configuração emissor comum com um resistor de pull-up ligado ao coletor. Esse é o inversor clássico: quando a entrada (base) está alta (
) o transistor conduz e puxa a saída (coletor) para perto de ; quando a entrada está baixa ( ) o transistor corta e a saída sobe para através do resistor de pull-up. - Saída = coletor do transistor. Resistores a projetar:
(pull-up entre e coletor) e (entre entrada e base) para limitar e definir corrente de base. - Precisamos escolher algumas aproximações típicas para estados de saturação/ligado do transistor (valores adotados por prática de projeto). Adotarei as aproximações usuais:
-
(tensão coletor-emissor em saturação). -
(tensão base-emissor em condução).
Vou declarar essas suposições explicitamente porque influenciam os cálculos.
-
Passo 3
Projeto do resistor de pull-up
para obter a corrente de saída máxima:
- Objetivo: quando o transistor estiver saturado (ou seja, tentando forçar saída baixa), a corrente através de
(que passa pelo transistor até o terra) deve ser a corrente máxima desejada . - A tensão sobre
em saturação será . - Usando as suposições:
e , temos .
- Usando as suposições:
- A lei de Ohm dá:
- Calculemos:
- Observação prática sobre padrão de valores:
não é sempre um valor de série comum; opções comerciais próximas são (um pouco menor, resultando em corrente ligeiramente maior) e (um pouco maior, resultando em corrente ligeiramente menor). Para não exceder a corrente máxima especificada, é prudente escolher (escolha segura) ou, se quiser exatamente os idealizados, usar se disponível. Vou comentar a consequência numérica: - Se
: (ligeiramente acima de ). - Se
: (ligeiramente abaixo de ).
- Se
Passo 4
Projeto do resistor de base
com base no ganho dado
:
- Para saturar o transistor e permitir a corrente de coletor desejada, precisamos fornecer corrente de base suficiente. Em regime linear ideal,
. - Usando
e , obtemos:
- A tensão disponível para o resistor de base quando a entrada está alta é
: -
, , então a queda no resistor é .
-
- Assim:
- Calculemos:
- Valor prático: usar
(E12/E24 próximo) dá uma corrente de base:
o que é ligeiramente maior que o mínimo calculado, então suficiente segundo
.
Passo 5
Observação importante sobre saturação real e margem de segurança:
- Em situações práticas, o transistor em saturação costuma ter ganho efetivo menor que o
do datasheet em região ativa. Por isso os projetistas normalmente forçam a base com um fator de sobra, usando um “forced beta” ( ) menor, tipicamente entre e , para garantir saturação forte. - Se quisermos projetar com
(prática conservadora), então: - Necessitamos de
- Então:
- Valor comercial prático:
(E12), que dá , suficiente para saturação forte com margem.
- Necessitamos de
- Resumo das duas estratégias:
- Projeto “exato” usando
: (usar na prática). - Projeto “conservador / garantido para saturação”:
(usar na prática).
- Projeto “exato” usando
- Eu recomendo a opção conservadora (
) para garantir que o transistor entre em saturação mesmo com variações de entre dispositivos e com variação de temperatura.
Passo 6
Verificação rápida dos níveis de saída e correntes nos dois estados:
- Entrada baixa (
): - Base em
-> transistor cortado -> -> saída subida por a (nível alto).
- Base em
- Entrada alta (
), usando os valores conservadores recomendados: - Corrente de base aproximada:
. - Corrente de coletor limitada por
(escolha segura): . -
em saturação aproximadamente -> saída baixa próxima de .
- Corrente de base aproximada:
- Estes números mostram que com
e temos operação segura respeitando o limite de e boa saturação.
Passo 7
Esboço textual do circuito completo (descrição passo a passo para desenhar):
- Fonte
no topo. - Conectar um resistor
entre e o coletor do transistor NPN (por exemplo, um transistor comum como ou similar). - O emissor do transistor vai ao terra (0 V).
- O ponto de saída (saida) é o nó no coletor (entre
e o coletor). - A entrada digital de
conecta-se à base do transistor através do resistor . - Pode-se adicionar um resistor de pull-down na base pequeno se quiser garantir nível baixo estável (opcional), mas não estritamente necessário com entrada rígida.
- Valores recomendados finais práticos e seguros:
-
(pull-up) -
(base, para garantir saturação) - Transistor NPN (por exemplo
ou equivalente)
-
Resposta
R_C =
(pull-up entre
e coletor)
R_B = (entre entrada
e base)
Transistor: NPN emissor-comum (emissor ao terra, coletor no nó de saída).
Operação: entrada alta (5 V) → transistor saturado → saída ≈ ,
; entrada baixa (0 V) → transistor cortado → saída =
.
R_B =
Transistor: NPN emissor-comum (emissor ao terra, coletor no nó de saída).
Operação: entrada alta (5 V) → transistor saturado → saída ≈