Fonte de corrente

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.

Fonte de corrente com transistor
Fonte de corrente com transistor

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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Autor: Djones Boni

Engenheiro Eletricista.

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