ELT313 – LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA ANALÓGICA I Tabela 1

Transcrição

ELT313 - Eletrônica Analógica I
ELT313 – L ABORATÓRIO DE E LETRÔNICA ANALÓGICA I
Engenharia Elétrica
Laboratório N o
5
E NGENHARIA E LÉTRICA

LABORATÓRIO NO 5: TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNÇÃO - BJT
Objetivos:
5.2 - MODO DE OPERAÇÃO CONTÍNUO

Testar o transistor com multímetro digital.

Utilizar o transistor como controlador contínuo e chaveado e como amplificador.
Levantar a curva característica e a reta
de carga.
Analisar os circuitos de polarização

O circuito apresentado na Figura 2 é utilizado para controlar a potência na carga
constituída pelo resistor Rc e pelo diodo emissor de luz LED. O LED foi utilizado para
podermos visualizar o controle da potência.

VCC
Rc
1k
5.1 - TESTE DE TRANSISTOR BIPOLAR

Testar as junções dos transistores NPN e
PNP.
CH2
VD
LED
VC
CH1
Vi
2N3904
Emissor
N
P
N
Coletor
E B C
Base
VB
direto
reverso
Figura 2- Amplificador transistorizado.
C-E

**

2N3906
Emissor
P
N
P
Coletor
E B C
direto
**

Medir a tensão nos resistores para calcular o valor da corrente:
IC=VRc/RC
IB=VRb/RB
Calcular o ganho de corrente deste transistor hFE = IC / IB

Ligar a fonte Vcc (pre-ajustado em 15V).

Variar o OFF SET do gerador de funções
de forma que Vi (CH1) varie entre -5V e
+10V.
Ajuste Vi até que a tensão no transistor
fique em 6,5V (VC=6,5V). O LED estará
brilhando com intensidade menor.

Calcular e completar a Tabela 1.
coletor B-C
hFE
Ajustar o gerador de funções GF para gerar onda quadrada em 1kHz, OFF SET
ajustável e amplitude ZERO (ou quase).
Desta forma estaremos utilizando o gerador de funções como uma fonte de tensão contínua ajustável.
Figura 3- Oscilograma Modo Contínuo.
Vi=-2V e Vc=+13V.

reverso
C-E
0V
CH1:5V/DIV CH2:5V/DIV H:0.2mSEC/DIV
Montar o circuito apresentado na Figura 2
em um Proto Board.
Kazuo Nakasshima & Egon Luiz Muller
1
sat
6,5
[V]
VRB
VRC
VLED
Calculado
IC
IB
PCC
PQ
PLED
PR
PO
G=Po/Pi
η=Po/Pcc
Uma outra forma de controlar a potência
na carga é operar o transistor como CHAVE.
Quando a chave estiver aberta (transistor
em corte ou off) a potência na carga será zero e quando a chave estiver fechada (transistor saturado ou on) a potência na carga será
a máxima (ou de pico).
O controle da potência é feito mudando a
relação entre o tempo ON e o tempo OFF. A
relação entre o tempo ON e o período
T=ON+OFF é denominado ciclo de trabalho
ou Duty Cycle . d=TON/T
Esta técnica de controle é conhecida como “Modulação em Largura de Pulso” ou
PWM (Pulse Width Modulation).

Observe que a luz emitida pelo LED aumenta quando aumentamos Vi.
UNIFEI - IEE/DON
corte
5.3- MODO DE OPERAÇÃO CHAVEADO
Ligar o osciloscópio conforme indicado
na Figura 2 e com os ajustes conforme
indicado no oscilograma da Figura 3.

Base
2N3906 (PNP)
emissor B-E
0V
CH1
CH2
GND/OSC
coletor B-C
hFE
Medido
VCE
VD
VC
Vi
VB
2N3904
Rb
100k
GND/GF
2N3904 (NPN)
emissor B-E
Ajuste Vi para +10V. Observe que a tensão no transistor é aproximadamente zero. O transistor está saturado e o LED estará com emissão máxima. Provavelmente esta condição foi atingida com Vi menor que +10V.
OBS. Se o transistor não entrar na região de
saturação, instalar outro resistor de 100kΩ
em paralelo à Rb. Considere este novo valor
de RB=50kΩ.
+15V
Tabela 1
Ajuste Vi para um valor abaixo de zero
(entre 0 e -5V). O transistor está na região de CORTE e o LED estará totalmente
apagado. A tensão no coletor do transistor é 13V devido à queda de tensão de
2V provocada pelo LED.
Aumente a amplitude da tensão do Gerador de Funções gradativamente até que o
transistor entre em corte e saturação.
Observando VC através de CH2 do osciloscópio, a onda quadrada terá o mínimo aproximadamente em zero (ou Vce-sat) e má2
UNIFEI - IEE/DON
ximo em aproximadamente 13V (ou VCCVLED).
A potência no LED praticamente não alterou, porém, a potência dissipada no transistor caiu drasticamente, de 42,25[mW] para
1,28[mW] médio, 2,56[mW] durante 50% do
tempo.
Laboratório N o
5
Controle no modo chaveado
5.4 - AMPLIFICADOR
Alterando o ciclo de trabalho, alteramos a
potência média dissipada pela carga.
Outra grande aplicação do transistor é
como amplificador.
P( av) = d * P ( pico)
Os valores de potência podem ser calculados com os resultados encontrados na
condição SATURADO e em função do ciclo
de trabalho.
Ajuste o DUTY do gerador de funções.
Consulte o manual de operações do gerador de funções. Ajuste o ciclo de trabalho para 0.2 (baixa potência) e depois para 0.8 (alta potência).

CH1
0V
Para que o transistor opere como amplificador é necessário que o mesmo opere na
“região ativa”, ou seja, em um ponto entre o
“corte” e a “saturação”. Isto significa que o
transistor deve ser “polarizado” antes que o
sinal a ser amplificado seja aplicado no transistor.
CH2
0V
CH1:5V/DIV
CH2:5V/DIV
H:0.2mSEC/DIV
Figura 4- Oscilograma Modo Chaveado d=0,5
Durante a saturação, a potência dissipada
na carga é aproximadamente 192mW. Como
esta potência é dissipada em apenas 50%
do tempo (d=0.5), a potência média na carga
será aproximadamente 95mW. Ligeiramente
menor que a potência fornecida pela fonte
Vcc (Pcc=96mW)
O cálculo da potência para forma de onda
pulsada é mais complicado. No resistor a potência é proporcional ao quadrado do valor
eficaz da corrente, enquanto que na fonte
contínua Vcc e no LED (se considerarmos
queda de tensão constante) a potência é
proporcional ao valor médio da corrente.
0V

0V
CH1:5V/DIV

CH2:5V/DIV
H:0.2mSEC/DIV
Tabela 2- Controle Chaveado PWM
Valores Médios (Av)
d
0,2
0,5
0,8
Ic (av)
Ib (av)
P ( Rc) = Rc * I C2 ( RMS )
PCC (av)
P (Vcc) = Vcc * I C ( av)
P(LED)(av)
Desloque o “ponto de operação quiescente” do transistor atuando no OFF SET do
gerador de funções.
SENO
mA
µA
1kHz
5Vpp
PO(av)
0V
corte
CH1: V/DIV CH2: V/DIV H: SEC/DIV
SENO
1kHz
5Vpp
10Vdc
0V
saturação
0V
CH1:
V/DIV
CH2:
V/DIV
H:
SEC/DIV
Figura 7- Amplificador. a) Próximo do corte
b) Próximo da saturação
Responda: Em qual faixa de VCE o transis-
tor opera como amplificador?
6Vdc
Responda: Em qual ponto de operação
quiescente VCEQ este amplificador permite
a máxima amplitude sem ceifamento?
0V
CH1:5V/DIV
mW
PQ(av)
CH2:5V/DIV
H:0.5mSEC/DIV
Figura 6 - Amplificador
Pi(av)
0V
0V
Observe que o sinal de saída ficará distorcido se o transistor não for polarizado adequadamente, ou seja, se ficar polarizado
próximo do corte e próximo da saturação.
η
UNIFEI - IEE/DON
Para obter maior amplificação, instale um
resistor de 10[kΩ] em paralelo a Rb e diminua o OFF SET e AMPLITUDE de Vi.
P(Rc) (av)
Para medir corretamente o valor eficaz de
tensão ou corrente não senoidal necessitaremos de um multímetro True RMS.
2
2
V RMS = Vdc
+ Vac
Mude a forma de onda do gerador de
funções para SENO e ajuste o OFF SET
até que a tensão no coletor seja aproximadamente Vc=6,5V. Ajuste a amplitude
em 5vpp e verifique que a tensão de saída, Vc, é uma senoidal maior e com fase
invertida.
Figura 5- Oscilograma Modo Chaveado d=0,2
5
SENO 1kHz 5Vpp 2.5Vdc
Um amplificador linear aumenta a amplitude de tensão e corrente sem provocar distorção.

Laboratório N o
3
4
UNIFEI - IEE/DON
5.5 - RETA DE CARGA
Um circuito transistorizado deve ser analisado pelo lado da potência (circuito do coletor) e pelo lado da polarização (circuito da
base).
Analisando o circuito do coletor observamos um circuito Thevenin. Na saída deste
circuito Thevenin está o transistor (VCE) conduzindo uma corrente (IC).
Laboratório N o
5
a reta de carga, desde o corte até a saturação. A Figura 9 apresenta o gráfico da reta
de carga e o gráfico do balanço de potência.

Laboratório N o
BVBE
Sobrepondo a curva característica do
transistor, a curva Ic vs. Vce, e a reta de carga conseguimos determinar o comportamento do circuito e o “ponto de operação” do
transistor.

Desenhar a reta de carga no gráfico da
Figura 11 e a curva hFE x IC no gráfico da
Figura 12.
Ic
Rth=Rc.
10m
Figura 10 – Circuito alternativo
A reta de carga é definida pela tensão e
resistência Thevenin, VTh e RTh.
5m
No circuito apresentado na Figura 8 podemos equacionar:
5
Vcc=Vce + Rc.Ic ou
10
Vce 15V
300
mW
Ic= (Vcc –Vce) / Rc
que é a equação de uma reta cuja inclinação
é definida pela resistência Rc.
Dois pontos desta reta são: Vce=Vcc para
Ic=0 e Ic=Vcc/Rc para Vce=0, ou (15V, 0mA)
e (0V, 15mA)
Pcc
Ajuste Vbb entre -10 e +10V.

Medir VB e VC e calcular os demais valores. Preencha a tabela 3.
OBS. Se o transistor não entrar na região de
saturação, instalar outro resistor de 100kΩ
em paralelo à Rb. Considerar este novo valor Rb=50kΩ no cálculo de IB.
Tabela 3 - Reta de Carga
VBB VB
VC VCE
-10
Po
Pd
10
Vce
IB
hFE
Figura 11- Reta de carga
-7
15V
-6
Figura 9 - Reta de carga e Balanço de potência
-4
RC
1k
-2
0,2
Observe no circuito da Figura 8 que necessitamos de duas fontes positivas independentes. Podemos utilizar o gerador de
funções com ajuste de nível CC (off set) como VBB ou utilizar um potenciômetro com
mostra o circuito da Figura 10.
mA IC
VC
100k
Figura 8 - Circuito
Ajustando a corrente de polarização, corrente na Base do transistor, o ponto de operação do transistor (Vce, Ic) deslocará sobre
UNIFEI - IEE/DON
-1
Medições
15V
RB VB
RB=
IC
-8
5
VCC

200m
100m
1
2
4
6
8
Para evitar a utilização do multímetro na
escala amperimétrica mediremos apenas o
potencial em 4 pontos do circuito, todos em
relação à LINHA de TERRA. Os demais valores (correntes, potência e ganho) serão
calculados.
5
5
Qual a máxima tensão reversa na junção
do emissor?
15mA
VTh=Vcc
VBB
10
12
14
6
UNIFEI - IEE/DON
Figura 12- hFE x IC
Laboratório N o
5
que 100uA produzida por uma fonte de 1,7V
e resistência de 10kΩ.
5.6 - CURVA CARACTERÍSTICA - IC x VCE
Para obter a curva do coletor é necessário
manter a corrente na Base (IB) constante,
variar a tensão entre Coletor e Emissor (VCE)
e medir a corrente no coletor (IC), como
mostra a Figura 13. Observe que
necessitamos de duas fontes de alimentação
CC positiva ajustável. Podemos utilizar o
gerador de funções com ajuste de OFF SET
como VBB.
Na ausência de uma fonte DC ajustável,
recomendamos o circuito apresentado na
Figura 15.
VBB=VCC
RB
300k
750k
RC
1k

Preencher a Tabela 4.
IB
VCE
0
0,1
VBB
VB
20uA
IC
0
50uA 100uA
IC
IC
0
0
0,2
0,3
0,4
VC
0,5
1
mA IC
RB
5
Tabela 4
IC
15V
Laboratório N o
OBS. Concentrar as medições no cotovelo
da curva e espaçar as medições na região
de operação (IC constante).
15V
RC2
10k
VB
Medir ou calcular IC.
VCC
RC1
1k
150k
VCC

Figura 17 – Curva característica do coletor.
2
3
VC
Figura 15 – Circuito alternativo para obtenção
das curvas do coletor.
100k
4
Usando osciloscópio
5
Podemos observar a curva característica
de um transistor através do osciloscópio operando no modo X-Y como mostra a Figura
18.
6
7
8
9
CH1
R B = 300k
10
Figura 13 – Circuito para obtenção das curvas do coletor.
11
12
GND
13
OSC
14
Figura 16 – Curva característica do coletor –
Vcc fixo e Rc variável. Reta de carga ajustável.
Na ausência de um segundo multímetro,
utilizado com amperímetro, meça a tensão
no resistor Rc e calcule o valor da corrente
UNIFEI - IEE/DON

1k
GND/GF Isolado
[mA]
Desenhar a curva Ic= f(Vce) num gráfico
15x15cm.
IB = V(RB) / RB

Ajustar IB atuando no Off Set do gerador
de funções que deve estar com amplitude
zerada (ou mínima). Medir a tensão em
RB.

Ajustar VCE atuando em VCC.
7
8
UNIFEI - IEE/DON
CH2(-)
Figura 18- Circuito para observação da curva
IC x VCE através do osciloscópio.

Isolar o GND do gerador de funções

Ajuste o gerador de sinais para uma onda
triangular com 10 VPP e nível DC de 5 V
(use o offset DC do gerador de sinais) e
conecte o osciloscópio como indicado.
IC = V(RC) / RC
Figura 14 – Curva característica do coletor –
Rc fixo e Vcc variável.
Para manter Ib constante, imune à variação de VBE, que pode variar entre 0,6 e 0,8V,
recomendamos trabalhar com maior valor de
VBB possível. Uma corrente de 100uA produzida por uma fonte de 10,7V associada a
uma resistência de 100 kΩ é mais estável do
15
[V]
Laboratório N o
5
1- POLARIZAÇÃO FIXA DA BASE
5.7 CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO
OBJETIVOS
O objetivo desta aula é verificar a estabilidade do ponto de operação de vários circuitos de polarização do transistor bipolar.
A estabilidade do ponto de operação pode
ser verificada variando-se a temperatura do
transistor ou trocando o transistor. Neste
ensaio verificaremos a estabilidade do circuito comparando o resultado de medição de
outras equipes.
RB
2 - POLARIZAÇÃO COM REALIMENTAÇÃO DE
TENSÃO DO EMISSOR
RC
1k
RB
300k
300k
VCC
200
VB
VB
I C (Q) ≅ (1 − k )
VCE
VC
IC
Calcular o ponto de operação do transistor de cada circuito considerando
hFE=100 e 300 e indicar o circuito mais
estável.
Tabela 5
circuito
1
hFE=100
VCE
IC
hFE=300
VCE
IC
RE
200
Circuito 2 - Polarização estável do emissor.
VE
IB
VB
hFE
VCE=VC-VE
IC=(VCC-VC)/RC
IB=(VCC-VB)/RB
hFE=IC/IB
VCC
VC
VE
VB
VCE
IC
IB
hFE
VCE=VC-VE
IC=(VCC-VC)/RC
IB=(VCC-VB)/RB
hFE=IC/IB
IC =
3
4
5
ENSAIO
Neste ensaio evitaremos,
possível,
a
utilização
amperimétrica do multímetro.
serão calculadas através da
potencial em uma resistência.

VCC
VC
VE
VB
VCE
IC
IB
hFE
VCC -VBE
RB
h FE
Este circuito de polarização é o mais simples de todos, porém o menos estável. Observe a grande variação do ponto de operação.
Circuito 3- Polarização com realimentação de
tensão.
VCE=VC-VE
IC=(VCC-VC)/RC - IB
IB=(VC-VB)/RB
hFE=IC/IB
IC-SAT=15/1k2=12.5mA
V -V
IC = h FE BB BE =
RB
2
IC =
+ RE
VCC -VBE
RB
h FE
Este circuito é mais estável que o anterior.
Quanto maior for a resistência RE melhor será a estabilidade do ponto de operação.
A melhoria da estabilidade do ponto de
operação não foi expressiva devido ao baixo
valor de RE. Faça uma análise para RE=1kΩ.
sempre que
da
escala
As correntes
diferença de
+ (R C + R E )
Este circuito apresenta boa estabilidade
do ponto de operação devido à realimentação negativa proporcionada pela resistência
Rb entre o coletor e a base do transistor.
Num amplificador esta realimentação negativa deverá ser bloqueada para corrente
alternada através de um desacoplamento.
Medir VCC, VC, VE e VB e calcular os
demais valores.
UNIFEI - IEE/DON
VCC
15V
VE
CÁLCULOS PRELIMINARES

DE
VC
VB
RE
200
VCC
0 < k <1
VC
REALIMENTAÇÃO
RC
1k
RB
150k
VCC
15V
VE
Circuito 1- Polarização fixa.
VCC
( RC + R E )
3- POLARIZAÇÃO COM
TENSÃO DO COLETOR.
5
15V
VC
Os circuitos foram projetados para que
apresentassem o ponto de operação mais
próximo um do outro.
VCE (Q) ≅ k VCC
RC
1k
Laboratório N o
9
10
UNIFEI - IEE/DON
4- POLARIZAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO
REALIMENTAÇÃO DE TENSÃO DO EMISSOR
E
Laboratório N o
5
5- CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO DO EMISSOR
6 - CIRCUITO EQUIVALENTE
Os circuitos 1, 2, 4 e 5 apresentam o mesmo circuito equivalente.
VCC
RB1
10k
VB
RC
1k
VC
RC
1k
VCC
15V
RB2
2k
RB
RB
10k
RE
200
VCC
VC
VB
VE
RC
15V
VB
VCE
IC
IB
VB
15V
RE
2k
VBB
hFE
VCE

VC
IC
VE
IB
VB
IC_sat=
***Este resultado é muito impreciso. Uma
imprecisão de 5% nos resistores RB1 e RB2
provocará um erro de aproximadamente
30µA na avaliação de IB, cujo valor deve estar entre 50 e 150µA. Ou seja, um erro de
5% na resistência poderá provocar um erro
de 50% na estimativa de IB. Nos circuitos anteriores a imprecisão de 5% nestes resistores provoca um erro de 5% na avaliação de
IB.
IC =
hFE
VBB -VBE
RB
30V/(1k+2k)= 10mA
No circuito 2,
IC(Q)=
2
3
4
5
No circuto 4,
No circuto 5,
12
VCE
B3
VCE
B4
VCE
IC
IC
VBB=VCC,
RE=0
RC=1,2k
B5
VCE
B6
VCE
IC
VBB=VCC,
RE=200
RC=1k.
IC
VBB=(RB2/(RB1+RB2))VCC
RB=RB1//RB2
RE=200
RC=1k
Responda: qual circuito apresenta melhor
estabilidade do ponto de operação?
VCC=30V
VBB= -VEE
RE=2k
RC=1k
A estabilidade do ponto de operação é inversamente proporcional à relação entre os
resistores RB e RE, ou seja, quanto menor a
relação RB /RE maior a estabilidade.
11
B2
IC
+ RE
No circuito 1,
Estamos na situação onde devemos utilizar o multímetro na escala amperimétrica.
UNIFEI - IEE/DON
1
IC
VCE=VC-VE
IC=(VCC-VC)/RC
IB= -VB/RB
IE=IC+IB
hFE=IC/IB
IC(Q)=
Anotar os resultados das demais bancadas.
Verificar os resultados e comparar com
os da Tabela 1.
Tabela 7
circuito
B1 VCE
Circuito Equivalente.
h FE
VCE=VC-VE
IC=(VCC-VC)/RC
IB=((VCC -VB)/RB1)-(VB/RB2) ***
hFE=IC/IB
No circuito 5 a resistência RE foi aumentada mas para isso foi necessário adicionar
uma fonte VEE. Quanto maior RE maior será
VEE.
VE
VEE
VCC
No circuito 4, para diminuir a resistência
RB foi necessário diminuir VBB através do divisor resistivo RB1 e RB2.
O circuito 4 com VCC=30V, RB1= RB2=20k
e RE=2k tem desempenho semelhante ao
circuito 5.
Circuito 5- Polarização do Emissor
VE
5
VE
Circuito 4- Polarização por divisor de tensão.
VC
Laboratório N o
VC
RE
VCC
UNIFEI - IEE/DON
Itajubá, MG,fevereiro de 2005