Transistor como chave

Currículos: Sek I/II, A-level (Electronics), electronics courses

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Objetivo

Ver como uma pequena corrente de base controla uma grande corrente de coletor e medir o ganho de corrente do transistor.

A montagem

Uma fonte de 6 V. Circuito de base: um interruptor, um resistor de 4,7 kΩ e um amperímetro — até a base de um transistor NPN (\(\beta\) = 100). Circuito de coletor: uma lâmpada de 6 V / 0,5 W e um amperímetro — até o coletor. O emissor está ligado ao polo negativo da fonte. O interruptor está fechado.

Procedimento

1. Anote as leituras dos dois amperímetros e calcule a razão entre a corrente de coletor e a corrente de base.
2. Abra o interruptor e depois feche-o de novo. Observe a lâmpada.
3. No cartão de parâmetros do resistor de base, troque 4,7 kΩ por 47 kΩ. Anote de novo as duas correntes e calcule a razão entre elas.
4. No cartão de parâmetros do transistor, mude o ganho de corrente \(\beta\) de 100 para 200.

Resultado esperado

A corrente de base é de cerca de 1,1 mA, a corrente de coletor de cerca de 82 mA — a lâmpada acende quase com o brilho máximo. A razão entre as correntes é de cerca de 73, menor que \(\beta\): o transistor está em saturação, e a corrente de coletor agora é limitada pela lâmpada, não pela base. Sem corrente de base o transistor está em corte, e a lâmpada se apaga. Com o resistor de 47 kΩ a corrente de base é de cerca de 0,11 mA, a corrente de coletor de cerca de 11 mA, e a lâmpada não acende, embora passe corrente: o filamento só se aquece até 960 K; a razão entre as correntes é igual a \(\beta\) = 100. Com \(\beta\) = 200 a corrente de coletor dobra, para 23 mA, enquanto a corrente de base quase não muda. Em um transistor real \(\beta\) não é algo que se escolhe: ele varia entre transistores do mesmo tipo, de 100 a 300, e a razão entre as correntes com o resistor de 47 kΩ mostrará o \(\beta\) do seu transistor em particular.

Questões

1. Quantas vezes a corrente que acende a lâmpada é menor que a própria corrente da lâmpada?
2. Por que a razão entre as correntes é menor que \(\beta\) com o resistor de 4,7 kΩ, mas igual a ele com 47 kΩ?
3. Qual é o maior valor do resistor de base que ainda leva o transistor à saturação com esta lâmpada?

Respostas

1. Cerca de 73 vezes: uma corrente de base de cerca de 1,1 mA acende a lâmpada, cuja corrente é de cerca de 82 mA.
2. Com 4,7 kΩ a corrente de base de 1,1 mA permitiria \(\beta \cdot I_B\) ≈ 110 mA, mais do que a lâmpada deixa passar em 6 V, cerca de 82 mA. O transistor está saturado: a tensão entre coletor e emissor é pequena, a lâmpada e a fonte determinam a corrente, e mais corrente de base não a aumenta. Com 47 kΩ, \(\beta \cdot I_B\) ≈ 11 mA fica muito abaixo do que a lâmpada deixaria passar, o transistor trabalha na região ativa, e a corrente de coletor é igual a \(\beta\) vezes a corrente de base.
3. A saturação exige \(\beta \cdot I_B\) pelo menos igual à corrente da lâmpada, então \(I_B\) ≥ 82 mA / 100 = 0,82 mA. A tensão no resistor de base é de cerca de 1,1 mA · 4,7 kΩ ≈ 5,2 V, então \(R_B\) ≤ 5,2 V / 0,82 mA ≈ 6,3 kΩ, cerca de 6 kΩ. Na prática se usa um resistor várias vezes menor, para manter uma margem para a dispersão de \(\beta\).