multivibradores e osciladores

5/17/2018 Multivibradores e Osciladores - slidepdf.com

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Multivibradores e OsciladoresOs circuitos multivibradores são muito importantes no estudo da eletrônica e são divididos embiestáveis, monoestáveis e astáveis.

A principal característica dos circuitos biestáveis é empregada no uso da grande maioria detransistores que funcionam apenas nas regiões de corte (sem condução de corrente) e saturação(com plena condução de corrente).

O circuito multivibrador monoestável é um circuito temporizador cujo funcionamento se baseia nocorte e na saturação de transistores e na carga e descarga de um capacitor.

Uma das principais aplicações do multivibrador astável é a de geração de ondas quadradas.

O multivibrador biestávelO multivibrador biestável é um circuito eletrônico em que a saída (ou as saídas) somente podemassumir dois estados distintos.

O circuito do multivibrador biestável, ou flip-flop como também é conhecido, é compostobasicamente por dois transistores polarizados de forma a funcionarem em chaveamento.

Este circuito é constituído de tal forma que sempre se tenha:

• Um transistor saturado,

• Outro transistor cortado.

Pode-se dizer que o flip-flop é como uma balança de comparação em que um peso é maior do que

outro, de forma que as duas situações possíveis seriam as mostradas nas figuras a seguir.

Exemplificação de um flip-flop

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SENAI/SPTexto Complementar – Multivibradores e Osciladores



Funcionamento do multivibrador biestável

O estudo do funcionamento dos multivibradores biestáveis pode ser analisado em duas partesdistintas:

• Condição assumida na alimentação.

• Troca de estados.

Isto permite estudar o que ocorre a partir do momento em que se aplica tensão ao circuito e depoisdeste estado inicial.

Condição assumida na ligação:

A figura abaixo mostra o circuito do multivibrador biestável.

Circuito do multivibrador biestável

Observação:

Antes de passar à análise do funcionamento do multivibrador é necessário observar algunsaspectos importantes, relativos ao seu circuito.

As bases dos dois transistores estão polarizadas por corrente de base constante.

RC2 + RB1 ⇒

resistência de base T1

RC1 + RB2 ⇒ resistência de base T2

A tensão para cada um dos resistores de base de cada transistor provém do coletor do outrotransistor.

A tensão do coletor T1 alimenta a base de T2 através de RB2.

A tensão do coletor de T2 alimenta a base de T1 através de RB1.

A figura a seguir ilustra estas condições.

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Alimentação de cada transistor no circuito do multivibrador biestável

Este tipo de ligação tem uma particularidade. Quando um transistor satura (conduz), obriga o outroa cortar (parar a condução).

Por exemplo

Se T1 está saturado comporta-se praticamente como uma chave fechada colocando a zero (ou ≅0,3V) a tensão entre base e emissor de T2 .

Transistor T1 saturado

A tensão de 0,3V aplicada a RB2 é insuficiente para alimentar a base de T2, de forma que quando T1

satura obriga T2 a cortar .

Por sua vez, T2 cortado se comporta como uma chave aberta, ficando com a tensão de coletor próxima ao valor da tensão de alimentação.

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Transistor T1 saturado e transistor T2 em corte

A tensão alta no coletor de T2 provoca uma corrente através de RB1 que mantém T1 saturado. Opróprio circuito mantém esta condição estável sem a necessidade de interferência externa.

Em resumo, neste tipo de ligação:

T1 Satura T2 corta

T2 Satura T1 corta

É importante também observar que os dois transistores têm o emissor ligado ao mesmo resistor RE.

Isto também provoca uma “amarração” entre transistores, o que pode ser mostrado na figuraabaixo.

Transistores compartilhando o mesmo resistor de emissor

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A queda de tensão no resistor de emissor depende das correntes nos dois transistores:

VRE = RE (I E 1+ IE 2).

Se a corrente no transistor T1 aumenta, a queda de tensão em RE também aumenta. Aumentando VRE a diferença de tensão entre a base 2 e o emissor diminui, ou seja:

IB1 IE 1 VR E VB 2 ↓

O que faz com que:

IB 2 ↓ IC 2 ↓ IE 2 ↓

O aumento na corrente IC de um transistor provoca uma diminuição na corrente IC do outrotransistor, de forma que a soma das correntes no resistor de emissor mantém um valor praticamente constante.

Uma vez feitas estas considerações iniciais pode-se passar à análise do circuito no momento daligação.

No momento em que a alimentação é ligada circulam duas correntes no circuito:

• Uma para base de T1 através de RC2 e RB1;

• Outra para a base de T2 através de RC1 e RB2.

Circulação das correntes de base dos transistores no momento em que o circuito é alimentado

Como normalmente RC1 = RC2 e RB1 = RB2 as duas correntes para as bases são iguais.

Considerando-se que é praticamente impossível que os dois transistores tenham exatamente omesmo ganho vamos admitir que T2 tem ganho um pouco maior que T1.

Circulará uma maior corrente em T2 de forma que o VCE de T2 começará a cair mais rapidamenteque o VCE de T1.

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Como os dois transistores estão amarrados pelas bases e pelo emissor, a queda rápida em V CET2

faz com que V CET 1 comece a aumentar.

V CET 2 ↓ Logo V CET 1

Um efeito reforça o outro, pois logo que V CET 1 começa a subir força-se que:

VCET 1 VCET2

Em resumo, cria-se um ciclo fechado.

Ciclo fechado relacionando VCET 1 e VCET 2

O processo prossegue até que o VCET 1 atinja o valor mínimo (ficando saturado) e o VCET 2 atinja ovalor máximo (ficando cortado).

A figura abaixo mostra a condição do circuito após a ligação, considerando que T2 tem ganho maior que T1 .

Condição inicial do multivibrador biestável considerando β de T2 maior que β de T1

As tensões no circuito seriam, por exemplo:

VCET2 = 0,3V VRE = 1V VCT2 = 1,3V (entre coletor de T2 e Terra)

VCET1 = 11V VRE = 1V VCT1 = 12V

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As tensões VBE dos dois transistores serão:

VBT 2 ≅ 0,7 a 0,75V (tensão para a saturação)

VBET 1

≅

0,3V (uma vez que a tensão no coletor de T2

é apenas 0,3V maior que a dos emissores).Se o transistor T1 tivesse mais ganho que T2 a situação seria inversa:

βT1 > βT2⇒ na ligação

cortado T

saturado T

2

1

Isto significa que, na partida, sempre será o transistor de maior ganho que irá saturar. Se os doistiverem ganhos iguais ou muito próximos será impossível prever quem irá saturar ou cortar.

Uma vez que um dos transistores satura e o outro corta, a situação dos transistores permaneceráestável enquanto não houver algum estímulo externo.

Ao ser alimentado, um multivibrador biestável assume um estado estável que não se altera sem

uma interferência externa.Uma forma de alterar o estado do multivibrador biestável seria curto-circuitar momentaneamentebase e emissor do transistor saturado.

Fazendo isto e supondo T2 inicialmente saturado, o que se teria:

VBE 2 = 0 IC 2 = 0 VCE 2 ↑ o que provocaria ⇒ VCE 1 ↓

Até que T1 atingisse a saturação

Como o circuito é “amarrado” uma vez que T 1 sature, o próprio circuito manteria a nova situaçãoindefinidamente, mesmo que o curto em T2 seja eliminado.

Por esta razão é que o circuito é chamado de biestável ou que tem os dois estados estáveis. Uma

vez que o circuito assume uma condição, permanece nela se não houver uma interferênciaexterna.

O multivibrador monoestável

O multivibrador monoestável é um circuito que apresenta um estado estável (permanente) e outrosemi-estável que dura apenas algum tempo.

O circuito monoestável permanece no seu estado estável enquanto não houver um estímuloexterno.

Quando ocorre um pulso de disparo, o circuito troca de estado durante algum tempo e depoisretorna sozinho ao estado estável. O tempo de permanência no estado instável depende dos

valores dos componentes do circuito. Um circuito típico do multivibrador monoestável alimentadoapenas por uma tensão CC é mostrado a seguir.

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Circuito típico de um multivibrador monoestável

É importante observar que esse circuito possui apenas um elo de realimentação puramenteresistivo entre o coletor de T2 e a base de T1. O outro elo de realimentação vem através de umcapacitor.

Funcionamento do multivibrador monoestável

Ao se alimentar um circuito monoestável, é impossível garantir seu estado inicial. Portanto, paraanalisar o funcionamento do multivibrador monoestável, vamos tomar como ponto de partida acondição estável (T2 saturado e T1 cortado).

Condição inicial de exemplo do circuito monoestável

Admitindo-se que a corrente de emissor de T2 provoque uma queda de tensão de 1V em Re, astensões do circuito em relação ao terra, seriam as mostradas no circuito a seguir.

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Tensões no circuito do multivibrador monoestável

Os pontos importantes a observar são:

• A corrente de base necessária para a saturação de T2 é fornecida através de RB2.

• A junção VBE de T1 é muito pequena para provocar a condução na junção BE de T1, o quegarante que T1 permaneça cortado.

Esse estado é estável e permanecerá inalterado enquanto não houver um impulso de disparo

externo.Disparo do monoestável

O disparo do monoestável causa a transição do estado estável para o estado semi-estável. Issopode ser feito por meio de:

• Um impulso positivo no emissor dos transistores;

• Um impulso negativo na base do transistor saturado.

A ilustração a seguir mostra o monoestável com o capacitor acrescentado para a entrada do pulsode disparo.

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Impulso nos emissores dos transistores

Na transição positiva, o circuito recebe um impulso positivo nos emissores dos transistores. Osúbito aumento na tensão do emissor faz com que o VBE de T2 caia instantaneamente a zero.

O transistor T2 passa instantaneamente da saturação para o corte, de forma que seu VCE aumentarapidamente. A tensão alta no coletor de T2 provoca uma corrente de base em T1 que satura(comportando-se como chave). Nessa condição, o circuito troca de estado.

Inversão de estado dos transistores

Como o impulso de disparo é de curta duração, o circuito tenderia a voltar imediatamente ao seuestado estável. Entretanto, ao saturar, o transistor T1 conecta o lado A do capacitor aos emissores.

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O lado B, por sua vez fica 8V negativo em relação aos emissores dos transistores.

Como o lado B está conectado à base de T2, essa base fica negativa em relação ao emissor.

Gráfico relacionando as tensões Vbe2 e Vce2 no momento do disparo

A tensão negativa na base mantém T2 em corte mesmo após o término do impulso de disparo. Ocircuito permanece no estado semi-estável, também denominado de ativado.

Gráfico das tensões Vc2 e Vc1 durante o estado semi-estável

O tempo durante o qual o monoestável permanece ativado depende do capacitor e do resistor R B2,porque assim que T1 satura, o capacitor começa a carregar positivamente através de RB2.

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Circuito de carga do capacitor C1 A corrente de carga do capacitor começa a reduzir o potencial negativo do lado B do capacitor etambém da base de T2. Após algum tempo, o potencial do lado B do capacitor chega a zero ecomeça a tornar-se positivo novamente.

Quando o lado B do capacitor atinge um potencial de aproximadamente 1,5V, a base de T 2 é =0,5V positiva em relação ao emissor. T2 começa a conduzir novamente cortando T1. O circuito voltainstantaneamente ao estado estável. Os gráficos a seguir mostram as tensões em relação ao terradurante um ciclo completo do monoestável.

Gráfico das tensões Vc2 e Vb2 durante um ciclo completodo circuito do multivibrador monoestável

O tempo de permanência ativado é independente da largura do pulso de disparo, dependendoapenas do tempo que o capacitor leva para carregar após o disparo.

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Como o tempo de carga do capacitor depende do seu valor e da resistência que limita a carga, aequação que define o tempo de permanência no estado semi-estável é T = 0,69 . R . C.

Se, na equação, R é usado em ohm (Ω) e C em Faraday , a resposta da equação é dada em

segundos.

O multivibrador astável

O multivibrador astável é um circuito que possui dois estados semi-estáveis. Em outras palavras, ocircuito assume uma condição durante algum tempo e depois passa para o outro estado duranteoutro intervalo de tempo, sem necessidade de pulsos externos.

Circuito do multivibrador astável

Funcionamento do multivibrador astável

Como não é possível prever o estado inicial do astável após a alimentação, vamos assumir que nacondição inicial T1 estará saturado e T2, cortado e que os capacitores C1 e C2 estarãodescarregados.

Assim, o transistor T2 cortado se comporta como um interruptor aberto. O lado D do capacitor C 1

está conectado ao pólo positivo da fonte através de RC2 e o lado C ao terra através da junção base-emissor de T1. O capacitor C1 começa a se carregar.

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Carga do capacitor C1Como os resistores de coletor têm valor baixo (algumas centenas de ohms), a carga de C1 ocorrerapidamente. A tensão no coletor do transistor cortado atinge rapidamente o valor de Vcc.

Carga rápida de C1 através do resistor de coletor

O lado C de C1 é negativo 9,3V em relação ao lado D.

O transistor T1 saturado, por sua vez, conecta o lado A de C2 ao terra. Como o lado B de C2 estáconectado com a alimentação através de RB2, inicia-se um processo de carga de C2.

Como a resistência RB2 tem valor alto (tipicamente dezenas ou centenas de milhares de ohms), oprocesso de carga ocorre lentamente. A medida que o tempo passa, o lado B do capacitor vailentamente se tornando positivo em relação ao lado A. Como o lado B de C2 está conectado à basede T2, quando a tensão no capacitor atingir 0,5V, T2 começa a sair do corte para a saturação.

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Início da saturação de T2 com o aumento da tensão base-emissor Vbe2

A medida que T2 satura, C1 tem o seu lado D conectado ao terra. O lado C de C1 (negativo 9,3V emrelação a D) aplica um potencial negativo à base de T1.

Potencial negativo na base de T1 a partir da saturação de T2

Com a base tornando-se negativa, T1, que estava saturado, é cortado instantaneamente. Com atroca de estado dos transistores, os circuitos de carga dos capacitores se alteram.

Os circuitos a seguir comparam os circuitos de carga iniciais dos capacitores (T 1 saturado e T2

cortado) e após a troca de estados.

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Comparação dos dois estados do circuito

A corrente de carga rápida de C2 através de T2 completa a saturação de T2, levando VBET2 a 0,7V,enquanto o potencial negativo da base de T1 mantém T1 cortado.

Os gráficos a seguir mostram o comportamento das tensões de base de T1 e T2 e o comportamentodos coletores.

Tensões de base de T1 e T2 e o comportamento das tensões nos coletores.

A medida que C2 se carrega (lentamente), a tensão negativa da base que mantém T 2 cortado vaidesaparecendo. Quando a tensão na base de T2 tornar-se positiva em 0,5V, o transistor começa aconduzir. T2, que estava cortado, satura e faz com que a base de T1 receba o potencial negativoacumulado em C1. Veja a ilustração a seguir.

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Repetição contínua do processo de corte e saturação dos transistores

O processo se repete sucessivamente, sem que seja necessário um impulso externo.

O tempo que cada um dos transistores permanece em corte depende da resistência e dacapacitância associadas à sua base. Se os dois resistores de base forem iguais e os doiscapacitores também, a forma de onda será simétrica, ou seja, os tempos de corte e saturação decada transistor serão iguais.

Se os componentes associados à base de um dos transistores forem diferentes dos associados àbase do outro, a simetria deixa de existir.

Freqüência do circuito

O tempo de corte de cada transistor é dado pela equação:

• T1 = 0,69 . RB1 . C1

• T2 = 0,69 . RB2 . C2

Então, a freqüência de oscilação pode ser determinada por:

ƒ = )C.RC.(R0,69

1

2B21B2 +

Efetuando a divisão 1/0,69, temos a equação final:

ƒ =2B21B1 C.RC.R

1,45

+

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Observações:

• Se os valores de R estiverem em M e os valores de C em F, a resposta será a freqüência em

Hertz (Hz).• Se o multivibrador for simétrico, ou seja, RB1 = RB2 e C1 = C2, a equação pode ser reduzida para:

ƒ =C.R

0,725

B

Correção da borda de subida dos pulsos

A borda de subida da forma de onda dos coletores é exponencial, porque corresponde à carga doscapacitores através dos resistores de coletor.

Curva exponencial de carga dos capacitores é refletida na tensões de coletor dos transistores

Esse arredondamento na subida dos pulsos nos coletores pode ser eliminado, acrescentando-seum diodo e um resistor ao circuito.

Acréscimo de resistores e diodos para eliminação da curva exponencial das tensões de coletor dostransistores

Quando T1, por exemplo, vai para o corte, a tensão do cátodo de V1 torna-se mais positiva que oânodo. O diodo V1 corta.

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No circuito mostrado, a corrente de carga de C2 não circula mais através do resistor de coletor RC1

(circulando através de R). Com isso, a tensão no coletor do transistor sobe para V CC assim que otransistor corta.

Com a correção, as formas de onda nos coletores dos transistores assumem o aspecto mostrado aseguir.

Forma de onda quadrada na saída do circuito (coletores dos transistores)Este tipo de onda quadrada é muito utilizado nos circuitos digitais, onde recebe o nome de clock

(relógio).

OsciladoresTodo circuito que mantém uma oscilação (variação periódica de um estado físico que se propagana matéria ou espaço) constante, ou seja, não permite que a onda se amorteça, é chamado deoscilador.

Os osciladores têm grande aplicação na eletrônica. São usados por exemplo, em transmissorespara gerar a onda de alta freqüência que transporta as informações (sinais de vídeo, som, etc.);

O princípio de funcionamento de todo circuito oscilador é a realimentação positiva, ou seja, aaplicação do sinal de saída de um amplificador em sua própria entrada, com a mesma fase. Aseguir são explicados alguns circuitos osciladores bastante difundidos.

Oscilador Hartley

O circuito oscilador idealizado por Hartley é aquele que mostramos na figura a seguir. É um dostipos mais populares de oscilador. Como se percebe, consta de um circuito RLC oscilante, cujasoscilações livres são determinadas pela fórmula de Thompson:

A saída do transistor esta ligada à entrada, através da indutância L. Como esta indutância tem umaderivação, enrolando-a com sentido com sentido conveniente, o sinal da base terá a mesma faseque o de coletor, e haverá realimentação positiva através da indução mútua. Analisemos,qualitativamente, nesse circuito.

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f = 1/6,28 √ LC



Oscilador Hartley básico

Suponhamos que uma perturbação qualquer, como a que se dá no momento em que se liga afonte de alimentação, por exemplo, inicie a passagem de corrente através do transistor. A correntede RF, circulando por uma parte do enrolamento, induz na outra parte uma força contra –eletromotriz. Como esta força contra – eletromotriz está aplicada à base do transistor e em fase,ela faz com que o transistor amplifique mais ainda, até atingir a saturação. Neste ponto, o capacitor do circuito LC começa a descarregar-se através de L, invertendo o sentido da força contra –eletromotriz induzida. A tensão de base vai diminuindo progressivamente, até atingir o corte. Daípor diante, o ciclo se repete, de acordo com a pulsação (freqüência) determinada pelos valores deL e C.

No circuito oscilador a transistor, são importantes as seguintes observações:

a) A freqüência da onda gerada é determinada pela fórmula de Thompson, onde L e C sãoa indutância e a capacitância do circuito oscilante.

b) Levando em conta que as oscilações livres do circuito LC são amortecidas, pára queelas nas se desvaneçam, é necessário aplicar energia que compense as perdas nasresistências do circuito. Essa energia, no oscilador a transistor, é fornecida pela fonte decorrente contínua.

c) A energia deve ser fornecida no momento certo. Levando em conta que esta energiapode ser aplicada através de uma chave manual que compensa as perdas, e fornecemais a carga ao capacitor, esta chave pode ser substituída por um transistor que seconstitui em uma chave eletrônica.

É fácil observar que o oscilador da figura anterior é do tipo paralelo ou “shunt”. A indutância chRFtem a finalidade de evitar que a onda gerada seja absorvida pela fonte. O capacitor Cb, por suavez, evita que a corrente contínua seja “aterrada” pela bobina.

Pode-se determinar, matematicamente, a condição – limite para oscilação do circuito. Essacondição dependerá dos valores de L, R e C, dos parâmetros do transistor e da indução mútua. Naprática, basta efetuar a derivação da bobina a um terço do enrolamento, para que a indução mútuaseja suficiente para manter a oscilação.

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Na figura a seguir, é mostrado outro circuito Hartley transistorizado. Seu funcionamento éexatamente igual ao descrito anteriormente. O circuito desta figura é do tipo série, mas poderia ser paralelo. Os resistores R1 e R2 são para estabilização do ponto de funcionamento. C1 bloqueia a

corrente contínua, C2 e R3 são capacitor e resistor de emissor, cujas funções o aluno conhece, eLC é o circuito oscilante.

Outra configuração para o circuito Hartley

A escolha da freqüência de oscilação pode ser feita pela variação de L ou C, ou de L e C. Como omais usual é manter e variar C, nas figuras tem sido representado o capacitor C variável ouajustável.

Oscilador Colpitts

O circuito oscilador proposto por Colpitts é equivalente ao circuito Hartley, onde a indutância L (docircuito Hartley) é substituída por dois capacitores (C1 e C2) e o capacitor C (do circuito Hartley) ésubstituído por uma indutância L. O circuito básico, usando transistor, é mostrado na figura aseguir.

Oscilador Colpitts

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O circuito apresentado nesta figura é do tipo paralelo. Ele poderia ser do tipo série e neste caso,economizar-se-iam alguns componentes, como mostramos na figura a seguir. Do ponto de vista dofuncionamento, os dois são iguais.

Os resistores R1 e R2, juntamente com R3, são responsáveis pela estabilização do ponto detrabalho do transistor.

O oscilador Colpitts funciona muito bem em altas freqüências e por isso, foi alvo da preferência dosfabricantes de TV com sintonização de canais analógica.

Oscilador com transistor de unijunção

O UJT (transistor de unijunção) é um tipo de transistor muito usado porque simplificaconsideravelmente os circuitos osciladores, disparadores e temporizadores.

Nesta unidade, você vai estudar o UJT num circuito oscilador de relaxação. Para isso, énecessário que você já esteja familiarizado com a constante RC.

Símbolo do transistor de unijunção (UJT)

UJT como oscilador de relaxação

O oscilador de relaxação é um circuito multivibrador no qual a freqüência é controlada pela carga

ou descarga de um indutor ou capacitor através de um resistor. A figura a seguir mostra um circuito típico de oscilador de relaxação em que se utiliza o UJT.Mostra também as formas de ondas por ele geradas, nos pontos A e B.

Circuito típico do oscilador de relaxação e formas de ondas por ele geradas

No circuito, o resistor R1 tem duas funções: fornecer pulsos de tensão na saída do oscilador elimitar a corrente de descarga do capacitor e assim proteger o UJT.

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O resistor R2 estabiliza termicamente o UJT, por meio da variação da tensão.

Funcionamento

O período de oscilação do circuito pode ser dividido em dois intervalos:• No primeiro, o UJT está em corte e o capacitor se carrega com a constante de tempo RC;

• No segundo, o transistor está saturado e capacitor se descarrega através do diodo e daresistência R1.

Veja ilustração abaixo.

A constante de tempo de carga do capacitor é estabelecida pelos componentes R e C localizadosna base do transistor

Assim, quando S é acionada, o capacitor C começa a se carregar através de R, até atingir a tensãode disparo VP dada por:

VP = VBB + VV

O disparo provoca a redução da resistência entre o emissor e a base 1 (RB1). O capacitor C édescarregado através de um agudo pulso da corrente que flui entre emissor e B1, limitado por R1.Quando a tensão VE cai e atinge a tensão de vale, o UJT entra em corte e o ciclo se repete.

A forma serrilhada da onda A é causada pela carga relativamente lenta do capacitor e suadescarga muito rápida.

A forma de onda no ponto B corresponde a um pico de tensão provocado pela descarga rápida de

do capacitor C através de R1. O período da forma de onda de saída (ponto B da figura anterior) dooscilador de relaxação com um UJT pode ser determinado utilizando a seguinte fórmula:

T = RC 1ƒ-1

1

Como a freqüência é o inverso do período, temos:

ƒ =RC

1

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