Fonte de corrente com transistor
Em algumas aplicações é necessário criar uma fonte de corrente constante, que forneça a mesma corrente independente da carga conectada a ela. Uma aplicação típica é substituir um sinal de saída em tensão, muito suscetível a ruídos, por um sinal de saída em corrente, mais robusto contra ruídos.
Veja na imagem abaixo um transistor PNP configurado como fonte de corrente constante.
A tensão de alimentação e os resistores R1 e R2 definem a tensão de base to transistor e o resistor R3 define a corrente de emissor (corrente de saída da fonte).
Note que a carga RL é conectada entre o terra e a saída da fonte de corrente. Podemos criar um circuito similar com um transistor NPN e, neste caso, a carga é conectada entre +VCC e a saída da fonte de corrente.
A corrente de coletor, que é a corrente de saída da fonte de corrente, depende da corrente de emissor e da corrente de base. Geralmente pode-se aproximar a corrente de coletor como sendo igual a corrente de emissor.
IC = IE – IB
IC = IE * (1 – 1/(1 + hFE))
IC = IE * hFE / (1 + hFE)
IC ≈ IE
Desejamos que o valor de R3 seja o menor possível, para que possamos expandir o limite da resistência de carga. Podemos escolher R3 de forma que a queda de tensão seja menor que 10% da tensão de alimentação. Escolhemos o resistor R3 desejado e calculamos a tensão de base.
R3 < 0,1 * VCC / IE
IE = (VCC – VB – VBE) / R3
Calculamos então o valor necessário para o paralelo dos resistores de polarização R1 e R2. Assim como em Projetando: Amplificador emissor comum, a corrente de base do transistor deve ser muito menor que a corrente de polarização, garantida pela primeira equação abaixo. E se algum limite máximo de variação para VB é especificado, precisamos garantir isso através da segunda equação abaixo.
R1 || R2 << (hFE + 1) * R3
ΔVBmax > IE / (hFE + 1) * (R1 || R2)
A partir do valor necessário para o paralelo entre R1 e R2, escolhemos seus valores comerciais para obter a tensão de base desejada.
VB = VCC * R2 / (R1 + R2)
O dimensionamento de potência geralmente não é necessário, por utilizar baixas correntes e baixas tensões de alimentação. Caso a potência de saída seja maior que 0,25W é interessante que se realize o dimensionamento de potência do transistor e da carga. A potência de saída é igual a tensão de alimentação multiplicado pela corrente de saída.
POUT = VCC * IOUT
Exercício 1 (resolvido)
Projete uma fonte de corrente com transistor PNP que forneça 2mA para a carga. A alimentação disponível é um regulador de 5V. Qual a variação de tensão de carga que a fonte pode alimentar? Qual a variação de resistências de carga que a fonte pode alimentar?
1) Escolhemos R3 para que tenhamos uma queda de tensão menor que 10% da fonte de alimentação.
R3 < 0,1 * 5 / 0,002
R3 < 250Ω
R3 = 220Ω
2) Escolhemos a tensão de base para obter a corrente de saída desejada.
IE = (VCC – VB – VBE) / R3
VB = VCC – IE * R3 – VBE
VB = 5 – 0,002 * 220 – 0,7
VB = 3,86V
3) Calculamos o paralelo dos resistores de polarização para que a corrente de base não influencie muito na tensão de base.
R1 || R2 << (hFE + 1) * R3
R1 || R2 << 101 * 220
R1 || R2 << 22kΩ
R1 || R2 < 2,2kΩ
4) Como não temos um limite para a variação da tensão de base vamos apenas calcular ela.
ΔVB = IE / (hFE + 1) * (R1 || R2)
ΔVB = 0,002 / 101 * 2200
ΔVB = 0,0436V
ΔVB/VB = 1,1%
5) Escolhemos os resistores R1 e R2 para termos a tensão de base desejada. Escolhemos R1 = 2,7kΩ e R2 = 9,1kΩ, obtendo R1 || R2 = 2,08kΩ, VB = 3,86V e IOUT = IE = 2mA.
VB = VCC * R2 / (R1 + R2)
R2 / (R1 + R2) = VB / VCC
A tensão de saída pode variar entre 0V (carga curto-circuito) e 4,36V (VCC – R3 * IE – VCEsat, carga circuito-aberto).
A fonte de corrente pode alimentar cargas resistivas de 0Ω (curto-circuito) até 2.2kΩ.
Exercício 2
Faça o mesmo que no exercício 1, mas substitua o resistor R1 por três diodos em série.
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