PARTE 1. Transistores como Chave de Potência Introdução Projeto (transistor como chave de potência)

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1 Exp. 3 Dispositivos de Potência B 1 PARTE 1. Transistores como Chave de Potência 1.1. Introdução Esta parte da experiência tem como objetivo estudar o comportamento de transistores operando como chaves. Vamos observar as formas de onda envolvidas em circuitos de chaveamento e medir tempos de descida e armazenamento/atraso Projeto (transistor como chave de potência) Chaveamento do transistor bipolar MJE2955 C f1 // C f2 Figura 1: Circuito de chaveamento do transistor bipolar PNP Precisamos conhecer as tensões V 2 e V 1 (correspondentes a i B2 e i B1 ) no ponto A para chavear o transistor bipolar do corte à saturação e vice-versa. Como mostra a figura 1, implementamos o sinal desejado (no ponto A) empregando um gerador de pulsos na entrada do circuito que fornece os níveis V G2 (>0) e V G1 (<0). Este gerador de pulsos será ajustado para um período de 0,5ms e uma largura de pulso de 20% do período (25µs). Para determinarmos quais tensões V 2 e V 1 correspondem respectivamente a quais tensões V G2 e V G1 e vice-versa, devemos observar que na entrada do circuito temos uma malha composta pelo gerador (fonte ideal + resistência série de 50Ω) e pela malha de entrada do circuito (R B + impedância de entrada do transistor). Note que neste circuito a resistência do gerador não é desprezível face às resistências do circuito que alimenta. O transistor bipolar pode ser substituído por um dos modelos (corte ou saturação) apresentados na figura 4 do texto teórico. Levando isso em consideração, pede-se: a) Determinar as expressões analíticas para v A (t) e i B (t), em função de v G (t), identificando quais os valores de V 1, V 2, i B1 e i B2. Considerar que o transistor bipolar a ser empregado é o transistor bipolar de potência MJE2955 (silício) com V BEsat = - 0,65V e V CEsat = -0,5V. Se necessário, considere R C = 22Ω/2W e R B = 27Ω (valores da placa).

2 B 2 Laboratório de Eletrônica Exp. 3 Para essa determinação das expressões analíticas, considerar três situações, ilustradas na figura abaixo. Para cada situação, desenhe o circuito equivalente substituindo o transistor pelo modelo adequado e estabeleça as equações para o circuito. A situação de corte, onde o transistor PNP está cortado e o gerador v G (t) está em V G2 (que define V 2 e a corrente de base nula).

3 Exp. 3 Dispositivos de Potência B 3 A situação de saturação, onde o transistor PNP está saturado quando o gerador v G (t) está em V G1 (que define V 1 e i B1 ). A situação que ocorre durante o tempo de armazenamento, quando o transistor PNP ainda está saturado e o gerador v G (t) já chaveou para V G2 (que define i B2 ). Note que este caso não foi equacionado em nossa análise teórica e dá origem a um valor V 3.

4 B 4 Laboratório de Eletrônica Exp. 3 b) Considere v G (t) como uma onda retangular de 5,1 V de amplitude pico a pico e com offset de -1,1 V. Determine V G2 e V G1. Esboce as formas de onda de V A (t), i B (t), i C (t) e v CE (t) sincronizadas no tempo, apenas representando (não é preciso calcular) os tempos de subida, descida e armazenamento, e determinando (estes sim, você pode calcular) V 1, V 2, V 3, I B1, I B2 e I Csat. Ger. Func. (Amplitude p-p) Ger. Func. (Offset) V 1 V 2 I B1 I B2 I CSAT 5,1V -1,10V OBS.: Não se esqueça de preparar também os itens de projeto da Parte 2 Retificador Controlado de Silício.

5 Exp. 3 Dispositivos de Potência B Procedimento Experimental O transistor bipolar operando como chave a) Anote na tabela o valor nominal e as tolerâncias dos resistores e capacitores empregados na placa (não é para medir). TR bipolar R B R C C f1 C f2 Valor Nominal Precisão b) Calibre as duas pontas de prova em x10, CUIDADOSAMENTE, utilizando o sinal de pulso fornecido pelo osciloscópio. Este procedimento é muitíssimo importante neste experimento uma vez que efetuaremos medidas de tempos! Utilize o modo de acoplamento CC em todo experimento. c) Vamos obter os patamares de V 1 e V 2 esperados de projeto utilizando o gerador de função. Para definir os valores V G1 e V G2 para o gerador devemos, no entanto, especificar a amplitude pico-a-pico do sinal (que excursiona em torno de zero) e o valor do offset que desloca o sinal em torno do zero. Para isso, monte o circuito da figura 1. Conecte o gerador de pulsos ao circuito através de um cabo BNC-BNC, ajustando para onda retangular, período para 25µs (40 khz), duty cycle 80% (SHIFT %DUTY; 80; ENTER), impedância em high Z (isto é, menu D: SYS MENU; 1: OUT TERM: HIGH Z; ENTER), amplitude = 5,1 V, offset = 0V. Nesta situação, com o osciloscópio no modo CC, sincronismo externo fornecido pelo gerador, imprima a forma de onda em V A (indicando os valores dos patamares V 1 e V 2 ) [Anexo 1.A]. d) Altere o valor de offset para 1,1 V. Imprima a forma de onda da tensão no ponto A sincronizada com a forma de onda da tensão sobre R B (isto é V A -V B ) [Anexo 1.B] e a seguir imprima a forma de onda da tensão no ponto A sincronizada com a tensão de coletor (V C ) [Anexo 1.C]. Destaque claramente sobre as formas de onda os tempos de subida, descida e armazenamento além de V 1, V 2, i B1, i B2. Obs. 1: Observar que se está medindo i B (t) indiretamente através da tensão sobre R B e i C (t) indiretamente através da tensão de coletor (note que esta última nada mais é do que o complemento da forma de onda de i C (t) ). Obs. 2: Manter sempre os terras das duas pontas de prova no emissor do transistor (Terra). Obs. 3: Para medir a tensão sobre RB, medir simultaneamente V A e V B, inverter a forma de onda de VB (INVERT) e somar os dois canais (tecla ±, function 1 ON, function 1 MENU, ADD). Atenção: Para obter o sinal desejado (V RB = V A - V B ) os dois canais devem ter as mesmas escalas de tensão. Observar se a forma de onda i B (t) obtida corresponde à forma de onda da figura do item 1.2. b.

6 B 6 Laboratório de Eletrônica Exp. 3 e) Preencher a tabela abaixo seguindo o procedimento do item anterior, ajustando adequadamente para cada caso o gerador de funções. Ger. Func. (Amplitude p-p) Ger. Func. (Offset) V 1 V 2 I B1 I B2 ts tq ta 5,1V -1,10V 7,1V -2,08V 6,1V -2,60V 8,1V -1,60V f) Compare os valores experimentais obtidos na primeira linha com aqueles calculados no projeto. Justifique eventuais discrepâncias. g) Comente o comportamento dos tempos de resposta do transistor (ts, tq e ta) no item acima, relacionando-os às grandezas I B1 e I B2.

7 Comentários e Conclusões Exp. 3 Dispositivos de Potência B 7

8 B 8 Laboratório de Eletrônica Exp. 3 PARTE 2. SCR (Retificador Controlado de Silício) O objetivo desta parte da experiência é o estudo do Retificador Controlado de Silício (SCR). Este dispositivo é utilizado em diversas classes de aplicações para controlar a potência fornecida a uma carga Projeto (SCR) a) No circuito da figura 1, provar que o valor de P para um dado θ desejado é dado por: RB EG P = sen(θ ) RB R 0,6 b) Para o circuito da figura 2, calcular o valor de P para cada um dos ângulos de disparo da tabela abaixo. Adotar EG=25,5V. q (graus) θmin= θmax= P calculado (W) c) Desenhe em papel milimetrado o gráfico P calculado em função de θ para o circuito da figura 2 [Anexo 2.A].

9 Exp. 3 Dispositivos de Potência B Procedimento Experimental (SCR) Circuito de Disparo CA de 0 a 90 graus Figura 2: Circuito Didático com SCR a) Medir o valor eficaz da tensão eg(t) fornecida pelo secundário do transformador. Medir também o valor de pico Eg. b) Com o osciloscópio ajustado para acoplamento DC, conecte uma ponta de prova na entrada eg(t) (ponto 2 da fig. 2), a outra ponta no anodo do SCR (ponto 1 da fig. 2) e os terras do osciloscópio no ponto 0 do circuito. Use o sincronismo do osciloscópio no modo LINE, pois nesse modo há o sincronismo com a rede elétrica (line). c) Para θ=50 graus (visualizando ao menos um período completo), imprima conjuntamente as formas de onda de eg(t) e anodo [Anexo 2.B] e a seguir imprima conjuntamente as formas de onda de eg(t) e porta (gatilho) [Anexo 2.C]. d) Varie o valor de P para obter os ângulos de disparo experimentais desejados para o preenchimento da segunda coluna da tabela a seguir. Utilize os cursores do osciloscópio para fazer as medidas (seção Measure, botão cursor). e g = E g = θ (graus) θmin= θmax= P calculado (W) P experimental (Ω)

10 B 10 Laboratório de Eletrônica Exp. 3 e) O θmax obtido experimentalmente coincidiu com o esperado? Justifique. f) Na mesma folha de papel milimetrado em que você preparou o ítem 2.1.c, antes de vir ao laboratório [Anexo 2.A], traçe os gráficos de P experimental e teórico (recalculado para o valor medido de Eg) em função de θ. g) Comente as possíveis causas das discrepâncias entre as três curvas. Analise se é possível fazer a curva teórica se aproximar mais da curva experimental reajustando-se o valor de V GT, que foi considerado igual a 0,6 Volts no cálculo teórico. O valor de V GT do SCR de sua bancada deve estar acima ou abaixo de 0.6 Volts?

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