RelatórioExp2.2 (3)

Universidade Federal do ABC

Aula Prática 2 – Caracterização de diodos e circuitos com Diodos

Disciplina: EN2701 – Fundamentos de Eletrônica Eletrônica

Professora: Dr.ª Ariana Serrano

Alunos:

Eduardo Amaro Campos

RA: 11001910

Henrique Mariano Rodrigues Ferreira

RA: 11000510

Pedro Schatz Wisnerowicz

RA: 11054010

Rodrigo da Silva Ferreira

RA: 11145609

Santo André, 29 de maio de 2013

Sumário 1.0 - Introdução ............................................................................................................................. 3 2.0 - Objetivos ............................................................................................................................... 6 3.0 - Materiais ............................................................................................................................... 6 4.0 - Metodologia Experimental.................................................................................................... 7 Parte 1- Determinação do ganho de corrente hfe e levantamento da curva característica Ic x Vce. ............................................................................................................................................ 7 Parte 2- Polarização por divisor de tensão ............................................................................... 8 Parte 3 – Amplificadores de pequenos sinais ........................................................................... 8 Parte 4 – Transistor como chave ............................................................................................... 9 5.0 - Resultados e Discussões ........................................................................................................ 9 Parte 1 ....................................................................................................................................... 9 Parte 2 ..................................................................................................................................... 13 Parte 3 ..................................................................................................................................... 15 Parte 4 ..................................................................................................................................... 17 6.0 - Conclusão ............................................................................................................................ 19 7.0 - Referências Bibliográficas ................................................................................................... 19

2

1.0 - Introdução Transistores

são

componentes

eletrônicos

utilizados

principalmente

como amplificadores e interruptores de sinais elétricos. [1] O primeiro tipo de transistor  foi inventado nos Laboratórios da Beel Telephone em dezembro de 1947 por Bardeen e Brattain. Esse era um transistor chamado de point- contact”, que acabou não se  popularizando muito pelo seu elevado custo. No entanto, em 1951, a mesma empresa anunciava a criação do dispositivo conhecido como transistor de junção. [2]

O Transistor de junção consiste em uma junção de três materiais semicondutores, sendo que o do meio (conhecido como base) será de um tipo diferente dos das pontas, como mostra a figura 1.

Figura 1: Transistor npn. fonte: BOYLESTAD, R. L.

O transistor mostrado na figura 1 é um do tipo npn, também havendo o tipo pnp. Quando só houver tensão nas regiões do tipo P, o transistor não irá conduzir, pois a região do meio possuí portadores de carga positiva, e não negativa. [3] Por questão de convenção, a simbologia dos transistores tipo pnp e npn são demostradas na figura 2.

3

Figura 2: Simbologia dos transistores

Como mencionado anteriormente, o transistor pode ser utilizado como interruptor  de sinal elétrico, pois quando não houver corrente na base, ele não irá conduzir entre as  pontas de emissor e coletor. Para ele conduza entre o E e C (emissor e coletor), terá que ser imposta uma corrente em sua base, como mostrado na figura 3 e 4.

Figura 3: Circuito com transistor npn

4

Figura 4: Circuito com transistor pnp

Exatamente pelas condições características dos semi-condutores, dependendo da condição de polarização de cada junção, são obtidos diferentes modos de operação para o transistor, como mostrado na figura 5.

Figura 5:  Regiões de funcionamento de um transistor 

5

A parte inicial da curva é chamada de região de saturação. É toda a curva entre a origem e o joelho. A parte praticamente plana é chamada de região ativa. Nesta região uma variação do VCE não influencia no valor da corrente de coletor (IC). IC mantém-se constante e igual a corrente de base vezes o ganho CC do transistor ( βCC) IC = IB * βCC. A parte final é a região de ruptura ou Breakdown e deve ser evitada. [2]

2.0 - Objetivos Este experimento possui as metas de introduzir os conceitos básicos sobre os transistores, obter experimentalmente as curvas características de transistores e discutir  e apresentar o funcionamento básico dos transistores como chaves.

3.0 - Materiais 

1 Multímetro Portátil com adaptador jacaré em ambas as pontas de prova



1 Multímetro de bancada com adaptador jacaré em ambas as pontas de prova



2 Fontes de tensão contínua variável



1 Protoboard



1 Osciloscópio com duas pontas de prova



1 Gerador de funções com cabo BNC e ponta jacaré



2 Pares de cabos banana/banana



2 Pares de cabos banana/jacaré



1 BC547



1 Resistor de 220 k Ω x 1/8W



1 Resistor de 12k  Ω x 1/8W



1 Potenciômetro de 100 k  Ω x 1W



1 Resistor de 820 Ω x 1/8W



2 Resistor de 2,2k Ω x 1/8W



2 Capacitores eletrolíticos de 10uF x 25V

6

4.0 - Metodologia Experimental O experimento foi subdividido em 4 etapas: Parte 1- Determinação do ganho de corrente hfe e levantamento da curva característica Ic x Vce.

Figura 6: Circuito 1

A) Montar no protoboard o circuito 1. Com o multímetro de bancada medir as correntes e com o portátil, as tensões. Variar o potenciômetro P1 para Vce = V1/2.

Figura 7: Circuito 2 

B) Montar no protoboard o circuito 2. Com o multímetro de bancada medir as correntes Ib e Ic, e com o multímetro portátil, as tensões Vbe e Vce. Variar o potenciômetro P1  para Ib=120 μA e variar P2 para diferentes valores de Vce.

7

Parte 2- Polarização por divisor de tensão

Figura 8: Circuito 3

A) Montar no protoboard o circuito 3. Medir as tensões e correntes quiescentes do circuito e anotar os valores. Parte 3 – Amplificadores de pequenos sinais

Figura 9: Circuito 4

A) Montar o circuito 4. Com o gerador desligado, medir as tensões e calcular as correntes quiescentes do circuito.

8

B) Calcular as tensões Vce, Vbe e Vcb. C) Aplicar na entrada um sinal senoidal de 1V de pico, com frequência de 1kHz e medir  com o osciloscópio as formas de onda na entrada (Vi) e na saída (Vo) e imprimir as formas de onda.

Parte 4 – Transistor como chave

Figura 10: Circuito 5 

A) Monte o circuito mostrado na Fig. 5. Utilize o gerador de funções para gerar o sinal quadrado na frequência de 5 kHz com amplitude de 0 a 5 V. Salve a curva de entrada e saída do circuito.

5.0 - Resultados e Discussões Parte 1

Do circuito montado na Parte 1 do experimento (figura 6), obtivemos os valores para Vce, Ib, Ic e hfe conforme tabela 1. O valor hfe é obtido dividindo a corrente do coletor pela corrente do emissor, Ic/Ib.

Tabela 1: Dados obtidos experimentalmente

V1 (V)

Vce (V)

Ib (uA)

Ic (mA)

hfe

10

5,013

351

45,68

130,14

15

7,33

542

68,05

125,56

9

O valor obtido de hfe do experimento com valor de V1 = 10V para o de V1 = 15V variou cerca de 4%, uma variação aceitável para valores experimentais. De acordo com o DataSheet do fabricante, o BC547 possuí valor mínimo de ganho de 110 e máximo de 800, conforme Figura 11.

Figura 11:  Datasheet BC 547  –  fonte: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/fairchild/BC547.pdf 

Dessa forma, é possível dizer que os valores de hfe obtidos experimentalmente são condizentes com os obtidos a partir do DataSheet. Para fins comparativos, foram feitas simulações do circuito proposto utilizando a  plataforma online Circuit Lab. Foi gerado o circuito representado pela figura 12.

10

Figura 12: circuito simulado pelo Circuit Lab

A partir dos dados obtidos do circuito exemplificado na figura 6 e da simulação (figura 12) foram montadas as seguintes tabelas: Tabela 2: dados do experimento da figura 6, com V1 = 10V 

Para V1 = 10V

Experimental

Simulação

Diferença (%)

Vce (V)

5,013

5

0,26

Ib (μA)

351

352,7

0,48

Ic (mA)

45,68

44,84

1,87

hfe

130,14

127,13

2,37

Tabela 3: dados do experimento da figura 6, com V1 = 15V 

Para V1 = 15V

Experimental

Simulação

Diferença (%)

Vce (V)

7,33

7,5

2,26

Ib (μA)

542

558,9

3,02

Ic (mA)

68,05

67,44

0,90

hfe

125,55

120,66

4,06 11

Os dados da simulação estão bem próximos aos valores obtidos experimentalmente, a maior diferença percentual foi no valor de hfe, 4,06%, onde temos um ganho hfe variando de 120-130, o que corresponde ao datasheet do transistor BC547,  portanto os dados obtidos são confiáveis. Para o circuito 2 (figura 7) os dados obtidos foram organizados na tabela 4 e também no gráfico da figura 13, o qual tem forma semelhante e condizente com as curvas do datasheet do componente (figura 14) . Tabela 4: valores para o circuito 2 

Vce (V)

0,005

0,1

0,3

0,5

0,7

0,9

1

2,22

Ic (mA)

0,02

8,14

23,8

26,7

29,42

31,43

32,16

36,08

40 35 30 25 20 15 10 5 0 0

0,5

1

1,5

2

2,5

Figura 13: Gráfico da curva Ic x Vce. Dados da tabela 4

Figura 14: Gráficos de Ic x Vce do datasheet do transistor BC547.  fonte: http://www.datasheetcatalog.org/datasheet/fairchild/BC547.pdf 

12

Parte 2

A partir do circuito apresentado na figura 8 foram medidas as tensões e correntes quiescentes, vide tabela 5 Tabela 5: tensões e correntes quiescentes do circuito 3

Vrc1(V)

Vre1(V)

Vrb1(V)

Vrb2(V)

Vce(V)

Ic(mA)

Ie(mA)

Ib(mA)

4.320

1.129

10.274

1.797

6.594

5.26

5.22

0.016

Irb1(mA) Irb2(mA) 0.852

0.857

Destes valores é possível calcular a potência dissipada em cada componente. Estes valores são apresentados na tabela a seguir:

Tabela 6: cálculo e valores da potência d issipada nos componentes do circuito 3.

Tensão

(V)

Correntes

(mA)

Potência

(mW)

Vrc1

4,32

Ic

5,26

Vrc1 x Ic

22,72

Vre1

1,13

Ie

5,22

Vre1 x Ie

5,89

Vrb1

10,27

Irb1

0,85

Vrb1 x 8,75 Irb1 Vrb2 x Vrb2

1,8

Irb2

0,86

1,54 Irb2 Potência

Vce

6,59

Ib

0,02

38,91 Total

A potência total dissipada no circuito é de 38,91mW segundo demonstrado na tabela 6. O circuito foi simulado no software Multisim para temperaturas de junção de 40 e 27°C segundo a figura 15 e os valores apresentados na tabela 7.

13

Figura 15: Circuito simulado no Multisim

Tabela 7: valores para o circuito das figuras 8 e 15.

Vrc1(V) Vre1(V) Vrb1(V) Vrb2(V) Vce(V) Experimento Simulado (27°C) Simulado (40°C) Diferença Simulação 40°C e 27°C (%) Diferença Simulado (27°C) e Experimento (%)

Ic(mA)

Ie(mA) Ib(mA) Irb1(mA) Irb2(mA)

4,32

1,129

10,274

1,797

6,594

5,26

5,22

0,016

0,852

0,857

4,256

1,146

10,171

1,829

6,598

6,04

5,21

0,016

0,848

0,831

4,152

1,118

10,171

1,829

6,73

5,91

5,08

0,016

0,848

0,831

2,50

2,50

0

0

1.96

2,20

2,56

0

0

0

1,5

1,48

1,01

1,75

0,1

14,82

0,19

0

0,47

3,13

Como pode se observar na tabela acima, a diferença entre os dados experimentais e o da simulação feita a 27°C é muito pequena e portanto as análises feitas a partir dos dados experimentais são válidas. Da mesma tabela é possível verificar que a variação das correntes no transistor é mínima e portanto o projeto de polarização é bom.

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Parte 3

O circuito da figura 9 foi montado e os valores das tensões e resistência dos componentes foram obtidas e a partir desses valores calculou-se a corrente, estes dados são apresentados na tabela 8. Tabela 8: valores para o circuito da figura 9.

Componente

Resistencia (ohm)

Tensão(V)

Corrente(A)

Rb1

11,83 K 

10,316

859,67u

Rb2

2,135K 

1,816

824,55u

Rc

826,6

4,441

5,335m

Re

215,4

1,158

5,376m

Emissor*

-

1,158

5,376m

Coletor*

-

7,696

5,335m

Base*

-

1,814

Ie – Ic = 41u

Os valores das tensões Vce, Vcb e Vbe foram calculadas da seguinte maneira:

Vce = Vcc-VRc1-Vre1 = 12,145  – 4,441 – 1,158 = 6,546 V Vcb = VRb1 – VRc1 = 10,316  – 4,441 = 5,875 V Vbe = VRb2 – Vre1 = 1,814 – 1 158 = 0,656V A partir das tensões acima calculadas e dos dados da tabela, foram obtidos os valores de α e β e algumas relações foram testadas: β = Ic/Ib = 5,335/0,041 = 130,12 α = Ic/Ie = 5,335/5,376 = 0,992

Ie = Ic + Ib => 5,376mA = 5,335mA + 0,041mA = 5,376mA. Portanto verdadeiro. IRb1 = IRb2 + Ib = 824,55uA + 41uA = 865,55uA ~ 859,67uA. Pequeno erro experimental, porém o erro não é grande o suficiente para desvalidar a relação ou o experimento. α=β/(1 +β) => 0,992 = 130,12/(130,12+1)= 0,992. Portanto verdadei ro

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O circuito da figura 9 foi montado e os sinais de entrada e saída foram capturados no osciloscópio. Uma simulação foi feita no Multisim segundo a figura 16 e os gráficos obtidos foram os seguintes:

Figura 17: Circuito simulado em Multisim.

Figura 16: imagem do osciloscópio para o circuito da figura 9. Curva em verde é o sinal de entrada e a curva em amarelo o de saída.

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Figura 18: gráfico obtido pela simulação feita em Multisim, o sinal de entrada é o de menor  amplitude e o de saída o de maior amplitude.

Após uma rápida observação dos gráficos verifica-se que a simulação e o as curvas experimentais são muito semelhantes em formato e amplitude. O ganho do circuito pode ser calculado pelos valores apresentados na figura 17,

AV = −Vo/Vi = - (5,39-2,09) = -

2,578. O sinal de entrada e de saída possuem uma diferença de fase de 180º em relação

ao sinal de entrada. Isto ocorre pois quando o a tensão na base do transistor é máxima, ele conduz mais, o que causa um aumento na tensão Rc1, e consequente queda na tensão Vo. Quando a tensão na base atinge seu mínimo o diodo conduz menos, o que causa uma diminuição na tensão Rc1, e consequente aumento na tensão Vo.

Parte 4

O circuito abaixo foi simulado no programa Circuit Lab, o sinal de saída é apresentado na figura 19.

17

Figura 19: Circuito simulado em Circuit Lab.

Figura 20: Sinal de saída do circuito simulado da fi gura 18 

O transistor irá funcionar como uma chave eletrônica ao se aplicar a onda quadrada na base. Quando a onda atinge o seu valor mínimo (zero volts) a corrente na base, Ib, é zero e o transistor não conduzirá corrente. Não havendo portanto corrente em R4 e a tensão de saída é igual a tensão da bateria 5V. Quando a tensão aplicada na base do transistor for máxima, o transistor conduz e a tensão de saída será igual a tensão de referência, ou seja, 0 Volts. Dessa forma a onda de saída é também quadrada, figura 20.

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6.0 - Conclusão Com esse experimento consolidou-se o conhecimento sobre os transistores e algumas de suas aplicações, verificou-se experimentalmente a sua atuação como amplificador de corrente e de pequenos sinais, além da sua atuação de chave num circuito, também foi possível por meio de simulações e comparações com os resultados experimentais observar o efeito da variação de temperatura nos transistores, além da avaliação do ganho nos diversos circuitos.

7.0 - Referências Bibliográficas

[1] Morimoto, Carlos E. (26 de junho de 2005). Transístor . Guia do Hardware. [2] BOYLESTAD, R. L. Dispositivos Eletronicos e teoria de circuitos. 8 a Edição [3] Behzad Razavi.  Fundamentals of Microelectronics

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