ELT313_Lab5r
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Laboratório N o 5 ELT 211/313 – Laboratório de Eletrônica Analógica I ELT 211/313 – LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA ANALÓGICA I leituras na polarização direta. Outros testes mais confiáveis serão apresentados futuramente. ENGENHARIA ELÉTRICA / ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO Para confirmar, devemos aplicar o mesmo teste entre o coletor e o emissor. Deverá indicar ABERTO (Over Load) nos dois sentidos. Laboratório No 5: Transistor Bipolar de Junção – BJT Disciplina Turma P Lab / Bancada Matricula Data Nome Nota Se o multímetro tiver a função hFE podemos verificar o ganho de corrente que este transistor proporciona. Preste muita atenção na polaridade do transistor (se NPN ou PNP) e nos terminais (E, B e C). Assinatura Para polarizar a junção diretamente, aplicamos tensão positiva (ponta de prova vermelha – V/Ω) na camada P e tensão negativa (ponta de prova preta - COM) na camada N, ou seja, positivo na base do transistor NPN e negativo no transistor PNP. TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNÇÃO – BJT Existem dois tipos de transistores bipolares de junção – BJT: NPN e PNP. Estes transistores possuem três terminais, Emissor (E), Base (B) e Coletor (C). Os dois terminais principais, terminais de potência, são o emissor e o coletor. O terceiro terminal, a base, de baixa potência, é o terminal de controle. Dispositivos semicondutores de silício de três terminais, como os transistores bipolares npn e pnp, são designados por 2NXXX. A Figura 1 apresenta o desenho da estrutura, o símbolo e o modelo dos transistores bipolares. A principal característica de um transistor é a capacidade de controlar grandes correntes (entre coletor e emissor) através pequenas correntes (entre base e emissor). Este fator de amplificação varia entre 20 e 400. A seta, que representa o emissor no símbolo do transistor, indica o sentido da corrente convencional (positiva) para as duas correntes, a principal que circula entre o coletor e o emissor, e a de controle, que circula entre a base e o emissor. A junção do emissor opera diretamente polarizada e apresenta, nestas condições, uma queda de tensão (barreira potencial) entre 0,5 e 0,8 V. Quando esta junção está polarizada reversamente o transistor não conduz e dizemos que o transistor está “cortado” ou na região de corte. O transistor opera como chave aberta. A máxima tensão reversa que esta junção suporta é de aproximadamente 7V. A junção do coletor opera normalmente na polarização reversa e suporta a tensão especificada do transistor (40, 100, 400V). Nesta junção é dissipada quase que a totalidade da potência dissipada internamente no transistor. Podemos testar a integridade das duas junções do transistor da mesma forma que testamos um diodo. Na escala apropriada para teste de diodos, polarizando diretamente a junção, o multímetro indicará um valor entre 0,5 e 0,8. Polarizando reversamente a junção o multímetro indicará aberto ou Over Load. UNIFEI - IEE/DON Kazuo Nakasshima & Egon Luiz Muller A principal função de um transistor é permitir que um sinal de pequena potência ligado na base do transistor possa controlar a potência muito maior numa carga instalada ou no coletor ou no emissor do transistor. 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 CH2 2N3904 Emissor N P N Coletor Base Vi 2N3904 (NPN) direto reverso emissor B-E coletor B-C hFE Com alguma prática poderemos identificar qual das duas junções é o emissor, apenas pela pequena e sutil diferença existente entre as duas 27 VB 2N3904 Rb 100k Figura 2- Amplificador transistorizado. P N P Coletor E B C Base 2N3906 (PNP) direto reverso emissor B-E coletor B-C A energia (ou potência) fornecida pela fonte de tensão contínua Vcc é controlada pelo transistor obedecendo ao sinal fornecido pelo gerador de funções Vi. Neste circuito, para ponto de operação VCE=6,5V e IC=6,5mA, o gerador de sinais Vi gastará 0,218 mW para controlar 55 mW na carga. Este ganho de potência G=Po/Pi é a grande diferença entre um amplificador e um simples transformador, onde não existe ganho de potência. G= 55mW/218µW= 252 ** **Curiosidade: Aparentemente a junção do emissor é igual à junção do coletor. Poderíamos pensar erroneamente em inverter o coletor em relação ao emissor. Fazendo isso no teste de hFE percebemos a diferença, hFE muito menor (além de suportar tensão menor, o transistor não funcionará adequadamente). Verificaremos ainda que quase toda potência envolvida neste sistema é fornecida pela fonte de alimentação Vcc, Pcc=97 mW. Uma parte da potência é fornecida à carga, Po=55 mW, e a outra parte é dissipada no transistor e desperdiçada na forma de calor, Pd=42 mW. Desta forma é definido outro parâmetro importante num amplificador, eficiência ou rendimento. η ≅ Po/Pcc=55mW/97mW=0.56 ou 56%. 28 LED VC GND/OSC ** 2N3906 hFE +15V GND/GF C-E Emissor VD CH1 E B C C-E 1 - TESTE DE TRANSISTOR BIPOLAR Figura 1- Transistores NPN e PNP 2 - MODO DE OPERAÇÃO CONTÍNUO UNIFEI-IESTI: Montar o circuito apresentado na Figura 2 em um Proto Board. Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Laboratório N o 5 ELT 211/313 – Laboratório de Eletrônica Analógica I Procure manter a disposição dos componentes conforme o diagrama esquemático. Utilize um dos barramentos (uma fileira da régua estreita do proto board na parte de baixo do circuito) como linha de terra e outro barramento, na parte de cima do circuito, como +Vcc. OBS. Se o transistor não entrar na região de saturação devido ao baixo valor de hFE do transistor, instalar outro resistor de 100kΩ em paralelo à RB. Considere este novo valor de RB=50kΩ nos cálculos. O anodo (+) do LED é facilmente identificável (terminal maior / placa interna menor). Se tiver dúvida utilize o multímetro para testar o LED. Durante a polarização direta (+ no anodo) o LED acenderá e a queda de tensão será aproximadamente 2V (3V nos LED’s de alto brilho). Utilize um cabo paralelo banana-jacaré para ligar o +Vcc no circuito. Utilize o Gerador de Funções como uma segunda Fonte de Tensão Contínua Ajustável. Ajuste o gerador de funções GF para gerar onda quadrada em 1kHz, OFF SET ajustável (puxar o botão) e amplitude ZERO (ou quase). Ligar o osciloscópio conforme indicado na Figura 2. CH1: CH2: HOR: GND: Variar o OFF SET do gerador de funções de forma que Vi (CH1) varie entre -5V e +10V. Observe que a luz emitida pelo LED aumenta quando aumentamos Vi. Devido à queda de tensão na carga, em particular no resistor Rc, a tensão no coletor do transistor Vc diminui com o aumento de corrente. Podemos constatar através de CH2 que esta tensão varia entre 13V e zero. 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. A Tabela 1 contém os valores estimativos. Ajuste Vi para +10V. Observe que a tensão no transistor é aproximadamente zero. O transistor está na região de SATURAÇÃO e o LED estará com emissão máxima. Provavelmente esta condição foi atingida com Vi menor que +10V. UNIFEI-IESTI: hFE = 0V CH1:5V/DIV CH2:5V/DIV H:0.2mSEC/DIV Figura 3- Oscilograma Modo Contínuo. 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). Medir a tensão nos resistores para calcular o valor da corrente: IC=VRc/RC e IB=VRb/RB mA IB mA - Po Pi Po η= Pcc V IC hFE - corte VCC VD VC Vi VB V(Rb) V(Rc) V(LED) Vce=VC Vbe=VB Ic Ib PCC P(Rc) P(LED) PO PQ Pi hFE G η - Ajuste Vi até que a tensão no transistor fique em 6,5V (VC=6,5V). O LED estará brilhando com intensidade menor. Calcular o ganho de corrente deste transistor hFE = IC / IB Verificamos nesta experiência que: 1) O rendimento deste circuito é muito baixo, boa parte da potência é dissipada e desperdiçada no transistor; 2) Quando o transistor está na região de corte a dissipação no transistor é praticamente nula (neste caso o rendimento é irrelevante); 3) Quando o transistor está saturado, a potência dissipada no transistor é muito baixa (aproximadamente 2,6mW), uma vez que a tensão de saturação do transistor é baixa, aproximadamente 0,2V neste transistor. Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller 15 15 13 -5 -5 0 0 2 13 -5 0 0 0 0 0 0 0 0 - sat 15 8,5 6,5 5,08 0,75 4,33 6,5 2,0 6,5 075 6,5 43 97,50 42,25 13,00 55,25 42,25 0,218 150 253 0,56 15 2,2 0,2 10 0,75 9,25 12,8 2,0 0,2 075 12,8 92,5 192,0 163,8 25,6 189,4 2,56 0,925 138* 204,8 0,986 V CH1 0V V CH2 mA µA mW Os valores apresentados na Tabela 1 foram estimados considerando V(LED)=2V, Vbe=0,75V, Vce-sat=0,2V e hFE=150. 29 30 Aumente a amplitude da tensão do Gerador de Funções gradativamente até que o transistor entre em corte e saturação. Ajuste o Off Set do gerador de funções se necessário. Observando VC através de CH2 do osciloscópio, a onda quadrada terá o mínimo aproximadamente em zero (ou Vce-sat) e máximo em aproximadamente 13V (ou VCC-VLED). Tabela 1- Valores Estimativos sat 6,5 VCE Ic Ib G= Vi=-2V e Vc=+13V. Mudar as chaves AC-GND-DC dos dois canais para GND, posicionar o traço de CH1 no centro da tela e o traço de CH2 no primeiro traço inferior. Voltar as chaves para posição DC. Ligar a fonte Vcc (pre-ajustado em 15V). 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). P ( Rc) = Rc * I c2 corte Uma outra forma de controlar a potência na carga é operar o transistor como CHAVE. Vo = V ( Rc) + V ( LED ) Pi = Vi * Ib P ( LED ) = V ( LED ) * Ic 0V 5V/DIV, DC, 0V no centro 5V/DIV, DC, 0V abaixo 0.2ms/DIV Aterrado 3- MODO DE OPERAÇÃO CHAVEADO V ( Rc) Rc V ( Rb) Ib = Rb Pcc = Vcc * Ic Ic = P (Q) = Pd = Vce * Ic Po = Vo * Ic = P ( Rc) + P ( LED ) CH1 CH2 Laboratório N o 5 ELT 211/313 – Laboratório de Eletrônica Analógica I UNIFEI-IESTI: 0V CH1:5V/DIV CH2:5V/DIV H:0.2mSEC/DIV Figura 4- Oscilograma Modo Chaveado d=0,5 A potência no LED praticamente não alterou, aproximadamente 13 mW médio, porém, a potência dissipada no transistor caiu drasticamente, de 42,25 mW para 1,28 mW médio (2,56 mW durante 50% do tempo). Apesar da mesma potência média dissipada no LED, o brilho no regime pulsado é muito maior devido ao maior potência luminosa do pulso e devido ao efeito da persistência da retina do olho humano. Durante a saturação, a potência dissipada na carga é aproximadamente 192mW. Como esta potência é dissipada em apenas 50% do tempo Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Laboratório N o 5 ELT 211/313 – Laboratório de Eletrônica Analógica I (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. Valores estimativos Os valores apresentados a seguir foram estimados considerando V(LED)=2V, Vbe=0,75V , Vce-sat=0,2V hFE=150 d Ic Ib PCC PRc PLED PO PQ Pi P (Vcc) = Vcc * I C ( Ave ) Para medir corretamente o valor eficaz de tensão ou corrente não senoidal necessitaremos de um multímetro True RMS. 2 2 V RMS = Vdc + Vac Controle no modo chaveado Alterando o ciclo de trabalho, alteramos a potência média dissipada pela carga. 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. Ajuste o ciclo de trabalho para 0.2 (baixa potência) e depois para 0.8 (alta potência). Consulte o manual de operações do gerador de funções. η mA µA UNIFEI-IESTI: 5Vpp 6Vdc Um circuito transistorizado deve ser analisado pelo lado da potência (circuito do coletor) e pelo lado da polarização (circuito da base). mW Ave 0V CH1:5V/DIV CH2:5V/DIV H:0.5mSEC/DIV Figura 6 - Amplificador Figura 8 - Circuito Analisando o circuito do coletor observamos um circuito Thevenin: VTh=VCC 0V Outra grande aplicação do transistor é como amplificador. Um amplificador linear aumenta a amplitude de tensão e corrente sem provocar distorção. A reta de carga é definida pela tensão e resistência Thevenin, VTh e RTh. 0V Ajuste a amplitude em 5 Vpp e verifique que a tensão de saída, Vc, é uma senoidal maior e com fase invertida. Calcule o ganho de tensão. Desloque o “ponto de operação quiescente” do transistor atuando no OFF SET do gerador de funções. Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller 31 Sobrepondo a curva característica do transistor, a curva Ic vs. Vce, e a reta de carga conseguimos determinar “ponto de operação” do transistor. CH1: V/DIV CH2: V/DIV H: SEC/DIV SENO 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. 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=6,5Vdc. RTh=RC. Na saída deste circuito Thevenin está o transistor (VCE) conduzindo uma corrente (IC). corte 4 - AMPLIFICADOR H:0.2mSEC/DIV Figura 5- Oscilograma Modo Chaveado d=0,2 1kHz 5 - RETA DE CARGA (DC) 0V Em um amplificador esta componente contínua conhecido como “Ponto de Operação Quiescente” é proporcionado pelo “Circuito de Polarização”. CH2:5V/DIV SENO SENO 1kHz 5Vpp 2.5Vdc 0V CH1:5V/DIV Valores Médios (Ave) 0,2 0,5 0,8 2,56 6,4 10,24 18,5 46 74 38,4 96,0 153,6 32,7 81,9 131,0 5,12 12,8 20,5 37,9 94,7 151,5 0,51 1,28 2,05 0,18 0,46 0,74 98,6 98,6 98,6 Este exemplo mostrou como podemos aumentar a eficiência dos equipamentos eletrônicos através do chaveamento. Uma fonte de tensão linear de ±15V(DC) e 1A, ou seja, 30W, tem o mesmo tamanho e peso de uma fonte chaveada de 300W utilizada nos microcomputadores. 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. Tabela 2- Valores Estimativos para Controle Chaveado PWM P ( Rc) = Rc * I C2 ( RMS ) Além disso, para os multímetros que utilizam acoplamento ac nas escalas AC, precisaremos fazer mais uma conta. Devemos medir a tensão nas escalas DC (Vdc) e depois na escala AC (Vac). Laboratório N o 5 ELT 211/313 – Laboratório de Eletrônica Analógica I 1kHz 5Vpp 10Vdc No circuito apresentado na Figura 8 podemos equacionar: VCC = VCE + RC .I C IC = 0V que é a equação de uma reta cuja inclinação é definida pela resistência Rc. Dois pontos desta reta são: saturação 0V CH1: VCE = VCC V/DIV CH2: V/DIV H: SEC/DIV Figura 7- Amplificador. a) Próximo do corte b) Próximo da saturação Substitua RB para 10k, diminua a amplitude de Vi e calcule o ganho de tensão. RB 100kΩ 10kΩ 1kΩ IC = VCC RC p / IC = 0 (corte) p / VCE = 0 ( saturaçao) Ajustando a corrente de polarização, corrente na Base do transistor, o ponto de operação do transistor (Vce, Ic) deslocará sobre 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. Av=Vo/Vi 32 VCC − VCE RC UNIFEI-IESTI: Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Laboratório N o 5 ELT 211/313 – Laboratório de Eletrônica Analógica I Tabela 3 - Reta de Carga PCC = VCC .IC VBB PQ = VCE .IC PO = VB VC RB= VCE IC IB hFE Desenhar a reta de carga no gráfico da Figura 11 (Y=IC e X=VCE) e a curva hFE x IC no gráfico da Figura 12 (X=IC) -10 RC .I C2 -8 15mA -6 IC -4 10m Laboratório N o 5 ELT 211/313 – Laboratório de Eletrônica Analógica I -2 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. VCC 5m 1 10 5 300 VCE 15V RC 1k 2 3 15V 4 mW Pcc 200 mA IC 5 6 Po VBB 7 100 PQ Figura 11- Reta de carga IC VsxVCE 8 5 10 VCE 15V Figura 9 - Reta de carga e Balanço de potência. 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 alternativo da Figura 10. 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. Ajuste VBB entre -10 e +10V. Medir VB e VC e calcular os demais valores. Preencha a tabela 3. 100k 10 Figura 13 – Circuito para obtenção das curvas do coletor. 1) A tensão de avalanche da junção do emissor é aproximadamente 7V, 15mA 2) Os valores de IC e VCE obedecem a equação da “Reta de Carga DC”. IC 3) O ganho de corrente hFE do transistor aumenta com o aumento da corrente de coletor IC. 10m 5m VCC = 15V VCC =10V VCC = 5V 5 10 VCE 15V 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. Figura 12- hFE x IC OBS. Se o transistor não entrar na região de saturação, instalar outro resistor de 100kΩ em paralelo à Rb. Considerar este novo valor de Rb=50kΩ no cálculo de IB. CORTE Uma corrente de 100uA produzida por uma fonte de 10,7V associada a uma resistência de 100 kΩ é mais estável do que 100uA produzida por uma fonte de 1,7V e resistência de 10kΩ. SATURAÇÃO VCE Figura 10 – Circuito alternativo IC UNIFEI-IESTI: VC VB 9 Observerve que: Medições RB Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller 33 34 UNIFEI-IESTI: Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Laboratório N o 5 ELT 211/313 – Laboratório de Eletrônica Analógica I Na ausência de uma fonte DC ajustável, recomendamos o circuito alternativo apresentado na Figura 15. VBB=VCC RB 20uA 50uA 100uA VCE IC IC IC 0 0 0 0 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 ou comparando o resultado de medição de outras equipes. 0,2 15V RC2 10k 750k IB 0,1 150k 300k 7 - CIRCUITOS DE POLARIZAÇÃO Tabela 4 VCC RC1 1k 0,3 0,4 VC VB Para obter uma variação mais ampla no hFE do transistor sugerimos a utilização do 2N3904 (hFE=100) e BC547 (hFE=300) 0,5 IC 1 Os circuitos seguintes foram projetados para que apresentassem o ponto de operação mais próximo um do outro. 2 3 4 Figura 15 – Circuito alternativo para obtenção das curvas do coletor. VCE (Q) ≅ k VCC 6 Usando osciloscópio I C (Q) ≅ (1 − k ) 7 Podemos observar a curva característica de um transistor através do osciloscópio operando no modo X-Y como mostra a Figura 18. 8 1kΩ 10m 9 CH1 10 1,5kΩ 5m VCE 15V Figura 16 – Curva característica do coletor – Vcc fixo e Rc variável. Reta de carga ajustável. 5 10 13 OSC GND/GF Isolado mA Medir ou calcular IC. IC = V(RC1) / RC1 Preencher a Tabela 4. Desenhar a curva Ic= f(Vce) num gráfico 15x15cm. X=VCE e Y=IC 2 3 Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller VCE IC VCE IC V mA V mA 4 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. hFE=300 1 Figura 18- Circuito para observação da curva IC x VCE através do osciloscópio. 6 ENSAIO Neste ensaio evitaremos, sempre que possível, a utilização da escala amperimétrica do multímetro. As correntes serão calculadas através da diferença de potencial em uma resistência. OBS. Concentrar as medições no cotovelo da curva e espaçar as medições na região de corrente constante. UNIFEI-IESTI: hFE=100 CH2(-) IB = V(RB) / RB Ajustar VCE atuando em VCC. Calcular o ponto de operação do transistor de cada circuito considerando hFE=100 e 300 e indicar o circuito mais estável. circuito Ajustar IB atuando no Off Set do gerador de funções que deve estar com amplitude zerada (ou mínima). Medir a tensão em RB. 1k 15 IC = V(R) / R GND V 0 < k <1 Tabela 5 12 14 Na ausência de um segundo multímetro, utilizado como amperímetro, meça a tensão no resistor R e calcule o valor da corrente VCC ( RC + R E ) CÁLCULOS PRELIMINARES R B = 300k 11 3kΩ Figura 17 – Curva característica do coletor. 5 15mA IC Laboratório N o 5 ELT 211/313 – Laboratório de Eletrônica Analógica I 35 36 UNIFEI-IESTI: Medir VCC, VC, VE e VB e calcular os demais valores. Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Laboratório N o 5 ELT 211/313 – Laboratório de Eletrônica Analógica I 7.1- POLARIZAÇÃO FIXA DA BASE RB 7.2 - POLARIZAÇÃO COM REALIMENTAÇÃO DE TENSÃO DO EMISSOR RC 1k RB 300k 300k VCC 200 VB VB RC 1k Laboratório N o 5 ELT 211/313 – Laboratório de Eletrônica Analógica I 7.3- POLARIZAÇÃO POR DIVISOR DE TENSÃO E ALIMENTAÇÃO DE TENSÃO DO EMISSOR RB1 10k VCC 15V VC VB RC 1k VC RE- 7.4- CIRCUITO DE POLARIZAÇÃO DO EMISSOR VCC RC 1k VCC 15V 15V VC VB 15V VC RB 10k VE VE RB2 2k RE 200 VE 15V RE 2k RE 200 VEE Circuito 1- Polarização fixa. Circuito 2 - Polarização estável do emissor. VCC VC VE VB VCE IC IB hFE VCE=VC-VE IC=(VCC-VC)/RC IB=(VCC-VB)/RB hFE=IC/IB IC-SAT=15/1k2=12.5mA Circuito 3- Polarização por divisor de tensão. VCC VC VE VB VCC VC VE VB VCC VC VE VB VCE IC IB hFE VCE IC IB hFE VCE IC IB hFE VCE=VC-VE IC=(VCC-VC)/RC IB=(VCC-VB)/RB hFE=IC/IB IC = V -V IC = h FE BB BE RB VCE=VC-VE IC=(VCC-VC)/RC IB=((VCC -VB)/RB1)-(VB/RB2) *** hFE=IC/IB VCE=VC-VE IC=(VCC-VC)/RC IB= -VB/RB IE=IC+IB hFE=IC/IB ICsat= 30V/(1k+2k)= 10mA 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 4- Polarização do Emissor IC(Q)= + RE IC(Q)= 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. ***Este valor de IB 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. No circuito 4 a resistência RE foi aumentada mas para isso foi necessário adicionar uma fonte VEE. Quanto maior RE maior será VEE. O circuito 3 com VCC=30V, RB1= RB2=20k e RE=2k tem desempenho semelhante ao circuito 4. Estamos na situação onde devemos utilizar o multímetro na escala amperimétrica para fazer a medição direta da corrente IB. UNIFEI-IESTI: Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller 37 38 UNIFEI-IESTI: Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Laboratório N o 5 ELT 211/313 – Laboratório de Eletrônica Analógica I 7.5 - CIRCUITO EQUIVALENTE Os circuitos 1, 2, 3 e 4 apresentam o mesmo circuito equivalente. 7.6 - POLARIZAÇÃO COM REALIMENTAÇÃO DE SÃO DO COLETOR. RC VCC RB VCC 15V Para descobrir qual terminal é o COLETOR e qual terminal é o EMISSOR com um multímetro que não tenha a função hFE devemos proceder o teste da “lambidinha”. Uma vez determinada a polaridade do transistor, NPN ou PNP, após uma rodada de medições utilizando a função DIODO, utilizamos a função OHMIMETRO entre o suposto coletor e o suposto emissor. VE RE 200 VE VBB Circuito 6- Polarização com realimentação de tensão do coletor. IC = VCC VC VE VB RB Se os terminais estiverem corretos, ao instalarmos um resistor entre a base e o coletor, o transistor entrará em condução e o multímetro indicará baixa resistência. + RE IC VCE IB V/Ω RE=0 VCE=VC-VE IC=(VCC-VC)/RC - IB IB=(VC-VB)/RB hFE=IC/IB RC=1,2k VBB=VCC, circuito 2 RB h FE RB=RB1//RB2 RE=200 RC=1k VCC= VCC + VEE =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. No circuito 4, para diminuir a resistência RB foi necessário diminuir VBB através do divisor resistivo RB1 e RB2. UNIFEI-IESTI: IC = VCC -VBE - COM b) Alta - Alta Figura A1.1- Teste para identificação do terminal Emissor do transistor NPN + (R C + R E ) Este circuito PREFERENCIAL apresenta: 1) boa estabilidade do ponto de operação devido à realimentação negativa proporcionada pela resistência Rb entre o coletor e a base do transistor, 2) menor consumo de corrente para polarização 3) menor número de resistores e 3) permite ajuste do ganho de tensão através do ajuste de RE sem alteração significativa do ponto de operação quiescente. Num amplificador esta realimentação negativa para corrente alternada poderá ser bloqueada através de um desacoplamento capacitivo. Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller Figura A1.4 - Teste para identificação do terminal Emissor do transistor PNP. Ω - COM a) Alta - Baixa (conduz) VBB=(RB2/(RB1+RB2))VCC circuito 4 Figura A1.3 - Teste para identificação do terminal Emissor do transistor NPN V/Ω Ω RE=200 RC=1k. circuto 3 Um segundo procedimento mais trabalhoso, uma vez que necessita de uma fonte de tensão maior que 9V, é levar a junção do emissor à região de avalanche que é de aproximadamente 7 V. hFE VBB=VCC, circuito 1 ATENÇÃO: O multímetro analógico fornece tensão negativa no borne V/Ω (+) em relação ao borne COM(-), levando freqüentemente a conclusões equivocadas. Se os terminais estiverem invertidos o transistor não conduzirá e o multímetro não acusará nenhuma alteração. VBB -VBE h FE O resistor de 300kΩ pode ser substituído pelo dedo ligeiramente umedecido com saliva , para diminuir a resistência, daí o termo “lambidinha”. Aplicando uma tensão positiva produzida pelo OHMIMETRO (Terminal V/Ω) no suposto coletor NPN e negativa (terminal COMM) no suposto emissor, o multímetro indicará OL (alta resistência). RE Circuito 5 - Circuito Equivalente. ANEXO 1: TESTE ADICIONAL Após uma série de medições é possível determinar a polaridade do transistor (NPN ou PNP) e qual o terminal é a BASE. VC VB VC VB RC 1k RB 150k TEN- Laboratório N o 5 ELT 211/313 – Laboratório de Eletrônica Analógica I Para o transistor PNP devemos aplicar tensão negativa no Coletor. Ω Ω V/Ω V/Ω Figura A3.2- Teste para identificação do terminal Emissor do transistor PNP. Itajubá, MG, dezenbro de 2014 39 40 UNIFEI-IESTI: Kazuo Nakashima & Egon Luiz Muller
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