O open collector (coletor aberto) é um tipo de saída muito usada, pois nos circuitos de mudanças de níveis de sinais (TTL / MOS ou MOS / TTL, etc,) é esse o circuito que está  presente.

Estamos falando de um circuito de saída intermediária e poderemos chamar alguns circuitos desse tipo de pré-amplificador. A configuração dele é emissor comum.

Emissor comum porquê? O sinal de entrada está entre a base e o emissor e o sinal de saída está entre o coletor e o emissor e o ponto comum entre a entrada e saída é o emissor.

FIG 1

No esquema acima (Circuito 1 da FIG. 1), podemos observar que temos somente um resistor (R1) colocado entre a base e o sinal de entrada do circuito.

Esse resistor limita a corrente entre o circuito que fornece o sinal, e a base do transistor T1. Para calcular esse resistor dependeremos: corrente de saída, Ganho (HFE) do transistor e nível de tensão de entrada. Mas para facilitar o assunto vou tomar a liberdade de abordar um artigo que foi postado por mim. “O Transistor na prática pelo professor Albertino Pivato”, o qual comenta a resistência de transferência. Analisando por esse lado, vai ficar mais prático nosso cálculo. Podemos então analisar porque determinamos um valor de 10K em R1.

Analisando o circuito pelo lado prático: a tensão de entrada dividida pela resistência de entrada (R1) = corrente de entrada.

TABELA 1

Exemplo de sinal de entrada

No cálculo acima não consideramos o valor da baixa resistência entre base e emissor, porque a mesma é menor que 10R (veja fig 10 do artigo citado), e por isso a consideramos um curto circuito.

Nesse tipo de circuito normalmente usaremos transistores de ganho muito alto. A maior parte desses transistores tem um ganho que variam entre 100x chegando ate 400x (HFE).

Com uma corrente de entrada de 300uA como visto na primeira linha da tabela 1, a saída pode ter uma corrente de 30mA. Como chegamos a esse valor?

Chegamos assim: IC = HFE x ib. (30mA  = 0.03 A = 100x300uA). Logicamente consideramos a menor amplificação possível.

Caso eu refaça esse calculo, com outros valores da tabela acima, eu conseguiria uma corrente maior que 30mA na saída (coletor).

Pois é justamente isso que eu espero desse circuito. Como podemos observar no circuito 2, eu tenho um resistor de 1K (R2) no coletor do transistor. Esse resistor é chamado de carga de coletor e é o nosso limite de corrente entre coletor e fonte. Mesmo o transistor estando com a base polarizada para circular uma corrente maior que 30mA, o coletor nunca poderá atingir essa corrente, pois o resistor de carga de coletor limita essa corrente. Todo circuito coletor aberto, (open collector) externamente tem esse resistor como carga de saída, isso realmente é a mágica do circuito mudança de nível.

TABELA 2

Exemplo de sinal de saída

Como podemos observar na tabela 2, eu estou considerando que entre emissor e coletor tenha um curto circuito, resistência de transferência 0R (veja figuras 17 e 19 do artigo citado).

Mas visto pela tabela 2 o máximo que poderemos conseguir na saída é 12mA, pois o resistor de 1K esta limitando a corrente de saída. Na realidade o funcionamento do circuito é cortado e saturado. A tabela 2 mostra somente quando o transistor está saturado. Pois quando o transistor estiver aberto sua resistência entre coletor e emissor, será infinita, e a tensão de saída será a mesma da fonte.

Devemos lembrar que esse circuito estará entregando um sinal de saída inverso ao  sinal de entrada. (+) na entrada resulta em (0) na saída, (0) na entrada resulta em (+) na saída, e o nível do sinal de saída depende da fonte onde é ligado o resistor de carga (R2).

 OPERACIONAL / TTL 5V

FIG 2

Esse circuito mostra uma conversão de  fonte simétrica de 15V para 5V.

Vamos agora por em prática um circuito de conversão: entrada de 3Vpp 1KHz e saída de 5Vpp 1KHz.

FIG 3 Esquema Elétrico do conversor de nível 3Vpp para 5Vpp

FIG 4 O osciloscópio mostra o sinal de entrada canal A de 3Vpp 1KHz

Saída no canal B de 5Vpp 1KHz sinal invertido

Vamos agora por em prática um circuito de conversão: entrada de 12Vpp 1KHz e saída de 5Vpp 1KHz.

FIG 5 Esquema elétrico do conversor de nível 12Vpp para 5Vpp

FIG 6 O osciloscópio mostra o sinal de entrada canal A de 12Vpp 1KHz

Saída no canal B de 5Vpp 1KHz sinal invertido

Funcionamento do circuito inversor

O sinal de entrada nos fornece níveis alto e baixo (1 e 0).

Quando o sinal é zero na entrada, o transistor Q1 está em corte, (resistência infinita entre coletor e emissor) e nesse caso a carga R2 não tem corrente, mas para o sinal de saída, a carga R2 será como um curto circuito e o sinal de saída estará com nível alto (nível da fonte de alimentação).

Quando o sinal de entrada for nível 1 o transistor Q1 estará saturado, (praticamente teremos um curto entre coletor e emissor) e nesse caso a corrente na carga R2 será total e nossa saída será zero.

Circuito de mudanças de níveis de sinais sem inversão

FIG 7 Esquema elétrico do conversor de nível sem inversão de sinal

FIG 8 O osciloscópio mostra o sinal de entrada canal A de 12Vpp 1KHz

Saída no canal B de 5Vpp 1KHz sem inversão

Funcionamento do circuito não inversor FIG 7

O sinal de entrada nos fornece nível alto e baixo (1 e 0).

Quando o sinal é zero na entrada, o transistor Q1 está em corte, (resistência infinita entre coletor e emissor) e nesse caso a carga R2 e R3 não tem corrente, mantendo o Q2 em corte, mas para o sinal de saída a carga R4 será como um curto circuito e o sinal de saída estará com nível zero (nível de aterramento).

Quando o sinal de entrada for nível 1 o transistor Q1 estará saturado, (praticamente teremos um curto entre coletor e emissor) e nesse caso a corrente na carga R2 e R3 será total e a base de Q2 será polarizada negativamente, fazendo então Q2 saturar, pois esse transistor é do tipo PNP seu funcionamento é inverso ao do Q1 que é NPN e nossa saída terá nível alto.

Dicas para calcular corrente de transistor uso geral

FIG 9 DATA SHEET

No data sheet (documento do fabricante) acima poderemos observar que a corrente de coletor possui o limite máximo de 800mA e o HFE = 100, mas na prática nunca trabalharemos com esses valores.

Logicamente, polarizando a base com 8mA eu poderia ter uma corrente de coletor de 800mA, porém isso nunca é usado.

Quando iremos calcular qualquer circuito nesse nível perguntaremos a nós mesmos: o que eu quero?

Quero um circuito que converta um nível de áudio, onda quadrada, ou um nível DC / DC. Qual será a potência desse estágio?

Então, determinando o que eu quero partirei para o projeto do circuito.

Normalmente, a corrente dos circuitos de acoplamentos de sinais, giram em torno de 1mA a 10mA, com potência de, no máximo, 200mW.

Por esse motivo, tornará muito prático o uso de um transistor de uso geral como o BC337.

Nos circuitos acima a nossa saída foi limitada em 5mA, mas nós poderíamos mudar o resistor de carga para uma corrente menor ou maior mudando assim a potência de nossa saída. Normalmente, nesse tipo de circuito, não se usa uma corrente de saída maior que 10mA.

Conclusão

Como foi visto acima, é possível calcular de forma muito prática, o circuito de conversão de nível do seu próximo projeto.