Portas AND e NAND com transístores

A porta AND pode ser implementada com transístores como mostra a Fig. 1

Fig. 1

Na implementação simulada em Tinkercad, mostrada na Fig. 2, o LED somente acende (ON, estado 1), quando as duas chaves estão fechadas (estado 1). 

Fig. 2

A porta NAND pode ser obtida simplesmente conectando o LED ao coletor do primeiro transistor (à esquerda), como mostrado nas Figs. 3 e 4.

Fig. 3

Fig. 4

Abaixo está a lista de componentes: 

Exercício:

Simule estes circuitos no Tinkercad e depois construa-os fisicamente. 

Porta NOT com transístor.

Neste exemplo construímos uma porta NOT com uma chave e com um transistor NPN. A porta NOT simplesmente inverte (ou nega) a entrada, como mostrado na Fig. 1.

Fig. 1

1. Implementação com chave mecânica

Construiremos incialmente um circuito simples com chaveamento mecânico. Utilizaremos as convenções mostradas na Fig. 2.

Fig. 2 

O diagrama do circuito a ser montado é mostrado na Fig. 3. Quando a chave está aberta (A = 0), o LED permanece aceso (ON <--> B = 1). Quando a chave é fechada (A = 1) o LED apaga (OFF <--> B = 0).

Fig. 3

Este circuito pode ser simulado em Tinkercad do modo mostrado na Fig. 4

Fig. 4

2. Porta NOT de  chaveamento eletrônico de transistor NPN

Implementaremos o circuito mostrado na Fig. 5. Quando a chave fecha (A = 1) a corrente base-emissor faz com que o transistor conduza corrente entre o coletor e o emissor e o LED apaga (B = 0).  Quando a chave é aberta (A = 0) o transistor bloqueia toda a corrente por ele e ela passa a circular pelo LED que acendo (B = 1).

Fig. 5

A construção de uma simulação do circuito da Fig. 5 em Tinkercad é mostrada na Fig. 6.

Fig. 6

Exercícios

1. Construa sua própria simulação em Tinkercad (sem copiar os diagramas nesta página).

2. Assista este vídeo. Com os conhecimentos adquirido construa um circuito prático calculando os valores das resistências utilizando as características do transistor e do LED (a tensão de oposição depende de sua cor) disponíveis para sua implementação. Faça com que a corrente no LED seja de aproximadamente 10 mA. Simule o circuito supondo um ganho beta = 100 e que a tensão base-emissor (VBE) seja de 0.7 V.  Em seguida construa fisicamente o circuito, faça medições de tensões correntes e determine os valores exatos de beta e VBE.  Meça os valores da corrente e das resistências no circuito real e compare com aqueles usados na simulação. Note que a corrente é medida de modo mais eficiente não diretamente e sim usando a lei de Ohm. 

3. Projete e construa fisicamente, usando os conhecimentos adquiridos nos exercícios acima, uma  simples chave eletrônica que acenda o LED quando a chave é pressionada (também chamado de buffer). Em outra atividade usaremos uma chave eletrônica para acionar uma lâmpada de 220V. 

Links adicionais

1. Porta lógica NOT com transistor (vídeo: Laboratório de Eletrônica - YouTube)
2. Transistor bipolar como chave (texto: Fundação Universidade Federal de Rondônia)
3. Transistores bipolares (texto: UFSC)
4. Análogo mecânico de um transistor.

Combinando portas lógicas

Consideremos o seguinte circuito lógico envolvendo portas NAND (William Kleitz, Digital Electronic, A Practical Approach with VHDL, 9th Edition, Prentice Hall, 2011).



Implementemos este circuito no chip TTL  74HC00, mostrado na figura abaixo:

Abaixo mostramos uma implementação em Tinkercad:




Exercícios:

1.  Construa a tabela verdade para este circuito.
2. Implemente o exemplo acima e teste-o.
3. Construa um diagrama para o circuito.
4. Implemente este exemplo fisicamente.
5. Construa o circuito que implementa a porta lógica descrita abaixo. Construa o diagrama, simule e Tinkercad, construa a tabela-verdade e implemente fisicamente usando chips TTL. CIs CMOS são mais frágeis e suscetíveis a eletricidade estática e devem ser usados em uma configuração de circuitos diferente desta, como veremos mais tarde..