ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos

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1 ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos PSI 2307 Laboratório de Eletrônica Exp.4 Polarização de Transistores Bipolares Turma: ( ) SEG - T1-2 ( ) TER T3 ( ) SEX T4-5 Prof(s): Data da realização do experimento: NOTA: Bancada n o : Equipe: CÓPIA DO PROFESSOR 1 o sem. 2004

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3 1. Objetivos Estudar a polarização de transistores bipolares em sua região ativa através do projeto e implementação de circuitos de polarização por I B e I E constantes. Analisar a estabilidade do ponto de polarização em função da dispersão de parâmetros dos componentes e da variação de temperatura; Aprender a utilizar curvas do manual do fabricante em projetos de circuitos eletrônicos e avaliar as limitações de seu uso; Tomar contato com o programa "PSPICE STUDENT VERSION" para simulação CC de circuitos eletrônicos e da dispersão dos parâmetros de componentes (resistores e transistores) na estabilidade de circuitos; Destacar a influência dos instrumentos de medida nos valores medidos, relacionandoos com os valores reais. Importante! Leia todo o roteiro antes de iniciar o procedimento experimental; Analise a consistência dos dados obtidos ao final de cada etapa; 2. Projeto Empregar somente resistores de valor comercial da série E-12 5% ( ) e resistores de 3 kw 2.1 Circuito de Polarização por I B Constante Projetamos um circuito de polarização I B constante onde I CQ 2,5mA e V CC 15V No manual do transistor a ser empregado, o BC 547A, acha-se que para I CQ 2,5mA : β 193 e V BE 0,6V. A partir dos valores dos componentes projetados aproximados para os valores comerciais calculamos V RB, V RC, V BE, V CE, V CC, I B, I C e h FE (a 25 C). Preencha esses valores CALCULADOS nas tabelas dos itens 4.1.2, e Figura 1: Circuito de polarização I B constante empregando o transistor BC547A. Exp. 4-3 Polarização de Transistore Bipolares Eletrônica Experimental

4 R C Vcc - Vceq Ic V CEq V CC 2 R C 15-7,5-3 3 kω 2, 5 x 10 I B q 2, 5 x 10-3 β 2,5 x ,3 x 10-5 A R B V cc V be I Bq Valores comerciais : 15-0,6 1,1 ΜΩ -5 1, 3 x 10 R B 1 ΜΩ R c 3,3 kω Porém na placa está 3kΩ Cálculos com valores comerciais : V BE 0, 6 V I B 15-0, , 44 x 10-5 A I c β x I B 193 x 1,44 x ,80 ma V CE 15-3 x 10 3 x 2, 8 x , 60 V V RB 14, 40 V V RC 8,40 V h FE β I c I b 193 Com estes resultados, já resolve a primeira parte da tabela na questão Eletrônica Experimental Polarização de Transistores Bipolares Exp. 4-4

5 2.1.2 Calcular o erro I C total ( s e T) associado ao valor de I C para a montagem I B IC δ I C δ I CB0. I CBo + δi c δv BE. V BE + δ I C δβ F. B F + δi C δ R B. R B δ I C δ I CB0 β F δ I C β F ,76 x 10-4 δ I CB0 R E 1,1 x 10 δ I C δ β F V cc V BE R B + I cb0 1,31 x 10-5 A δ I C (V V ) cc Bσ.β 2, 29 x 10-9 A / Ω 2 δ R B R R constante empregando as expressões (20)-(30) para T10ºC. Considerando as variações típicas dos valores dos componentes fornecidos: I CB 5 na [( ) 2 + ( 10x ( 2,5x10 3) 2 )] V BE 80 x ,38x 10-2 V [( ) 2 + ( 193 x 10 x 0, 0067) 2 ] 1 2 β F 193 x 0,25 49,95 R B [( 1,1 x 10 6 x 0, 05) 2 + ( 10 x 1,1 x 10 6 x - 3 x 10-4 )] ,1 kω I c ± 0,8 ma Preencha parte da tabela Exp. 4-5 Polarização de Transistore Bipolares Eletrônica Experimental

6 2.2 Circuito de Polarização por I E Constante Projetamos um circuito de polarização I E constante onde I CQ 2,5mA. Sabe-se que V CC 20V e que o transistor a ser empregado é o BC547A. A partir dos valores de componentes projetados aproximados para os valores comerciais, calculamos V R1, V R2, V RC, V RE, V BE, V CE, V CC, I B, I C e h FE (todos a 25 C) e preencha esses valores CALCULADOS para as grandezas das tabelas dos itens e Adote R B 25kΩ, R C 4R E ; para I CQ 2,5 ma : β 193 e V BE 0,6V. Figura 2: Circuito de polarização I E constante empregando o transistor BC547A. V cc V CE q ( R c + R B ). Ic R E x I E R E 800Ω V CE q V CC 2 R C 3200Ω β 193 I c I E V BB R B x I B + V BE + R E x I E R kω R B R 2 x R 1 R 1 + R 2 V BB R 2 R 2 + R 1 x V CC R 1 x R 2 R 1 + R 2 25 x 10 3 R 2 30 kω Eletrônica Experimental Polarização de Transistores Bipolares Exp. 4-6

7 Valores Comerciais : R1 180KΩ, R2 33KΩ, Rc 3,3KΩ, RE 820Ω Recálculo : R B 180 x 33 x , 9kΩ 180 x x 10 V BB R 2 33x10 3 x V R 1 + R CC x 20 3,1 V x x 10 I B V BB V BE β.i B R B 3,1-0,6-820x193 I B 27,9 x ,3 x 10-5 A I C β x I B 2,6mA V CE 20 (3,3 x ) 2,6 x ,3V V RC 2,6 x 10-3 x 3, 3 x ,6 V V RE 820 x 2,6 x ,1 V Desprezando I B : V R2 20 x 33 x x x V V R1 17V h FE I c I B 200 Com estes resultados, já resolva a primeira parte da questão (preencha a tabela). Exp. 4-7 Polarização de Transistore Bipolares Eletrônica Experimental

8 2.2.2 Calculamos o erro IC total associado ao valor de I C para a montagem I E constante empregando as expressões (36)-(46) para T10ºC. δ I C δ I CB0 ( β F + 1) 1 + R B R E 1 + β f + R B R E 27,10 δ I C δv BE -β F 1,05 x 10 R B + ( -3 A/V β F +1).R E δ I C I C δ β F β. 1 + R B 2 F R E 2,1 x 10-6 A δ I C δ R B δ I C δ R E ( ) R E.I CB 0.β F V - BB V BE.β ( β F +1) ( β F +1) 2 F 2 1,36 x 10-8 A/ Ω R B β F +1 + R E ( ) R B.I CB0.β F V - BB V BE ( β F +1) ( β F +1).β F 2 2,7 x 10-2 A/ Ω R B β F +1 + R E ( ) 2 3 [ + ( 10 x 25 x 10 λ - 3 x 10-4 ) ] Ω R B 25 x 10 3 x 0, 05 [( ) 2 + ( 10 x x 10-4 ) ] Ω R E 820 x 0,05 I C 0,22 ma Eletrônica Experimental Polarização de Transistores Bipolares Exp. 4-8

9 3. Simulação NOTAS IMPORTANTES No SPICE, o prefixo mili é representado por M e o prefixo Mega por MEG. Uilize a ferramenta BUBBLE para visualizar tensões nodais no circuito. Para esclarecimentos adicionais sobre o PSPICE, leia o apêndice existente na apostila deste experimento. 3.1 Utilizando o programa "PSPICE STUDENT VERSION 6.3a" obtenha os pontos de polarização para a montagem I E constante a 27 C. Utilize os valores de resistores comerciais determinados no item Obtenha os valores para V RB, V RC, V BE, V CE, V CC, I B, I C e h FE (todos a 27 C) e preencha esses valores SIMULADOS nas tabelas dos itens 4.2.2, e Inclua no relatório a listagem de saída (menu Analysis/Examine Output do Schematics Editor) com o nome de todos os integrantes da equipe. Para essas simulações, utilize o modelo BC547A_MOD1 do transistor BC547A. Certifique-se que a análise a ser executada é Analysis/Setup/Bias Point Detail. 3.2 Utilizando o programa PSPICE 6.3a, obtenha o valor de I C quiescente e o seu erro máximo associado (a 27 C) para os mesmos casos do item 3.1. Para isso, empregue a ANÁLISE MONTE CARLO, pois ela considera a dispersão dos parâmetros dos componentes durante a simulação. Avalie a importância das dispersões de parâmetros no projeto de um circuito eletrônico. Inclua no relatório as partes importantes da listagem de saída com o nome de todos os integrantes da equipe (interprete a listagem!). Preencha os dados relevantes da tabela do item OBS.: Para essas simulações, empregue os seguintes componentes: todos os resistores devem ser do tipo com tolerância. Para isso clique 2 vezes sobre cada resistor e coloque no item "tolerance" o valor 5 para cada um dos resistores. o transistor deve ser o modelo BC547A_MOD2 Ajuste o menu Analysis/Probe Setup para Do not auto-run probe Para ativar a análise Monte Carlo no Schematics Editor, inclua os seguintes dados: No menu "Analysis / Setup / Monte Carlo" Analisys: Monte Carlo MC Runs: 200 Analysis Type: DC Output Variable: IC(Q1) - (Lembre-se de chamar o transistor por "Q1", com clique duplo após inseri-lo no diagrama) Function: YMAX Em MC Options, selecione a caixa de verificação "List" No menu Analysis/Setup/DC Swept variable type: Voltage Source Name: V1 (Lembre-se de chamar a fonte de alimentação de "V1", com clique duplo após inseríla no diagrama) Sweep type: Linear Start Value: 15/20 (conforme o caso) End Value: 15/20 (conforme o caso) Increment: 1 Nas impressões solicitadas (listagens) basta apenas apresentar o schematics netlist (com o nome dos alunos) e os dados calculados para o transistor (bipolar junction transistors, que está quase ao final da listagem "output"). Exp. 4-9 Polarização de Transistore Bipolares Eletrônica Experimental

10 4. Procedimento Experimental 4.1 Circuito de polarização com I B constante Familiarize-se com a placa de montagem "POLARIZAÇÃO COM I B CONSTANTE", anotando os valores nominais e tolerâncias de R B e R C. Certifique-se que os valores de resistores empregados assemelham-se aos valores projetados no item Comente qualquer discrepância. Figura 3: Circuito de polarização I B constante empregando o transistor BC547A. RB RC Verifique se o ponto quiescente satisfaz as condições de projeto, medindo os valores de V RB, V Rc, V BE, V CE e V CC com o multímetro. Calcule os valores de I B, I C e do ganho de corrente do transistor no ponto de operação experimental (β F h FE ). 27 C V RB V RC V BE V CE V CC CALCULADO MEDIDO DESVIO % 27 C I B I C h FE CALCULADO DA MEDIDA DESVIO % Eletrônica Experimental Polarização de Transistores Bipolares Exp. 4-10

11 4.1.3 Utilizando o multímetro, meça novamente o valor de V CE, só que desta vez deixe uma ponta de prova acoplada a V BE (osciloscópio no modo CC). Anote cuidadosamente o valor de tensão de V CE lido com o multímetro quando a ponta de prova está e não está medindo o valor de V BE : VALOR DE V CE MEDIDO COM O MULTÍMETRO Ponta do osciloscópio acoplada a V BE Sem ponta do osciloscópio acoplada a V BE V CE V CE Em que caso o valor lido com o multímetro (V CE ) corresponde ao valor real? Explique Instale o multímetro apropriadamente para medir a tensão sobre R C, anotando o seu valor. Envolva o encapsulamento do transistor com os dedos (sem tocar quaisquer terminais) durante um minuto, acompanhando a evolução de V RC. Anote o valor de V RC lido logo APÓS retirar os dedos do transistor. Calcule os novos valores de I C e de V CE. ANTES (27 C) V RC I C V CE Esperado Medido Esperado Medido/ Esperado Medido Calculado DEPOIS (37 C) VARIAÇÃO % Comparando-se com os valores calculados e medidos, o que podemos concluir? Exp Polarização de Transistore Bipolares Eletrônica Experimental

12 4.1.5 Compare seus dados (MEDIDA 1) com os dados dos seus colegas da bancada com 1 número maior que a sua (bancada 10 pegue os da bancada 1) (MEDIDA 2) V RB V RC V BE V CE V CC MEDIDA 1 MEDIDA 2 DESVIO % DA MEDIDA 1 DA MEDIDA 2 DESVIO % 4.2 Circuito de polarização com I E constante I B I C h FE Familiarize-se com a placa de montagem "POLARIZAÇÃO COM I E CONSTANTE", anotando os valores nominais e tolerâncias de R 1, R 2, R E e R C. Certifique-se que os valores de resistores empregados assemelham-se aos valores projetados no item Comente qualquer discrepância. Figura 4: Circuito de polarização I E constante empregando o transistor BC547A. R 1 R 2 R E R C Eletrônica Experimental Polarização de Transistores Bipolares Exp. 4-12

13 4.2.2 Verifique se o ponto quiescente satisfaz as condições de projeto, medindo os valores de V R1, V R2, V RC, V RE, V BE, V CE e V CC. Calcule os valores de I B, I C e o ganho de corrente do transistor no ponto de operação experimental (β F h FE ) 27 C V R1 V R2 V RC V RE V BE V CE V CC CALCULADO SIMULADO MEDIDO DESVIO % 27 C I B I C h FE CALCULADO SIMULADO DA MEDIDA DESVIO % Utilizando o multímetro, meça novamente o valor de V CE, só que desta vez deixe uma ponta de prova acoplada a V BE (osciloscópio no modo CC). Anote cuidadosamente o valor de tensão de V CE lido com o multímetro quando a ponta de prova está e não está medindo o valor de V BE : VALOR DE V CE MEDIDO COM O MULTÍMETRO Ponta do osciloscópio acoplada a V BE V CE V CE Sem ponta do osciloscópio acoplada a V BE A diferença nos dois valores medidos de V CE foi maior ou menor que a mesma diferença medida no item 4.1.3? Qual a razão? Exp Polarização de Transistore Bipolares Eletrônica Experimental

14 4.2.4 Instale o multímetro apropriadamente para medir a tensão sobre R C, anotando o seu valor (anote também o valor de V CE ). Envolva o encapsulamento do transistor com os dedos (sem tocar em seus terminais) durante um minuto, acompanhando a evolução de V RC. Anote o valor de V RC e de V CE lidos logo APÓS retirar os dedos do transistor. Calcule o novo valor de I C : ANTES (27 C) V RC I C V CE Esperado Simulado Medido Esperado Simulado Medido/ Esperado Simulado Medido Calculado DEPOIS (37 C) VARIAÇÃO % Comparando-se com os valores calculados e medidos, o que podemos concluir? Comparando-se com os valores do item 4.1.4, o que podemos concluir? Compare seus dados (MEDIDA 1) com os dados dos seus colegas da bancada com 1 número maior que a sua (bancada 10 pegue os da bancada 1) (MEDIDA 2) MEDIDA 1 MEDIDA 2 DESVIO % V RB V RC V BE V CE V CC I B I C h FE DA MEDIDA 1 DA MEDIDA 2 DESVIO % Eletrônica Experimental Polarização de Transistores Bipolares Exp. 4-14

15 Monte a tabela abaixo usando os valores da tabela do item para as primeiras três colunas da tabela a seguir. Depois, copie os dois valores de I C obtidos em e (para os dois exemplares de transistores BC547A no circuito I E constante). Circuito I B Constante (ítem 4.1.5) Circuito I E Constante Resultados experiência Simulado Resultados experiência Simulado MEDIDA1 MEDIDA 2 PSPICE MEDIDA1 MEDIDA 2 PSPICE I C I C No caso dos valores para o circuito I E constante, os valores de I C simulados são maiores ou menores que os medidos? Isto é razoável? Comparando-se os valores de I C e β para o circuito I B constante com os valores para o circuito I E constante, o que podemos concluir? Exp Polarização de Transistore Bipolares Eletrônica Experimental

16 5. Questões 5.1 Na cópia da família de curvas I C X V CE do transistor BC547A abaixo sobreponha a reta de carga e o ponto quiescente do projeto e duas retas de carga pontilhadas que representem as retas de carga extremas (máxima e mínima) considerando-se a tolerância associada a R C para a montagem I B constante. Sobreponha também o ponto quiescente obtido no Item Comente os resultados obtidos. Eletrônica Experimental Polarização de Transistores Bipolares Exp. 4-16

17 5.2 Sobreponha também o novo ponto quiescente obtido no Item Sendo esta uma montagem I B constante, comente o comportamento do ponto quiescente em função da temperatura. Inclua em seu comentário o comportamento observado no item para as curvas I C X V CE. 5.3 Sobreponha, por fim, o segundo ponto quiescente obtido no Item Sendo esta uma montagem I B constante, faça comentários a respeito do comportamento do ponto quiescente em função da dispersão das curvas I C X V CE. Exp Polarização de Transistore Bipolares Eletrônica Experimental

18 5.4 Na cópia da família de curvas I C X V CE do transistor BC547A abaixo sobreponha a reta de carga e o ponto quiescente projetados e duas retas de carga pontilhadas que representem as retas de carga extremas (máxima e mínima) considerando-se as tolerâncias associadas a R C e a R E para a montagem I E constante. Sobreponha também o ponto quiescente obtido no item Comente os resultados obtidos, comparando-os com os resultados do Item 5.1 acima. Eletrônica Experimental Polarização de Transistores Bipolares Exp. 4-18

19 5.5 Sobreponha também o novo ponto quiescente obtido no item Comparando-se os resultados das montagens I B constante e I E constante, qual das duas mantém o ponto quiescente mais estável quando há variações de temperatura? 5.6 Sobreponha, por fim, o segundo ponto quiescente obtido no item Comparandose os resultados das montagens I B constante e I E constante, qual das duas mantém o ponto quiescente mais estável quanto a dispersão dos parâmetros do transistor? Exp Polarização de Transistore Bipolares Eletrônica Experimental

20 6. Conclusões Eletrônica Experimental Polarização de Transistores Bipolares Exp. 4-20