Escola Politécnica - USP

Escola Politécnica - USP PSI 2325 Laboratório de Eletrônica I Exp 3: Polarização de Transistores Bipolares Equipe: - Turma: - - Profs: - - Data de Realização do Experimento: Nota: Bancada: 2002

B 46 Laboratório de Eletrônica I Exp. 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 para análise da influência da temperatura e da dispersão dos parâmetros de componentes (resistores e transistores) na estabilidade de circuitos; Destacar a influência dos instrumentos de medida nos valores medidos, relacionando-os 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 (a ser realizado ANTES da aula experimental) Empregar somente resistores de valor comercial da série E-12 5% (10 12 15 18 22 27 33 39 47 56 68 82) e resistores de 3 k 2.1 Circuito de Polarização por I B Constante 2.1.1 Projetar um circuito de polarização I B constante onde I CQ =2,5mA. Sabe-se que V CC =15V e que o transistor a ser empregado é o BC547A. A partir dos valores de componentes projetados aproximados para os valores comerciais calcule V RB, V RC, V BE, V CE, V CC, I B, I C e h FE (todos a 25 C) e preencha esses valores ESPERADOS para as grandezas das tabelas dos itens 5.1.2, 5.1.4 e 5.1.5. Figura 1: Circuito de polarização I B constante empregando o transistor BC547A.

Exp. 3 Polarização de Transistores Bipolares B 47 2.1.2 Calcular o erro I C total ( s e T) associado ao valor de I C para a montagem I B constante empregando as expressões (20)-(30) para T=10ºC.

B 48 Laboratório de Eletrônica I Exp. 3 2.2 Circuito de Polarização por I E Constante 2.2.1 Projetar 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, calcule 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 ESPERADOS para as grandezas das tabelas dos itens 5.2.2, 5.2.4 e 5.2.5. Adote R B =25KΩ e R C 4R E. Figura 2: Circuito de polarização I E constante empregando o transistor BC547A.

Exp. 3 Polarização de Transistores Bipolares B 49 2.2.2 Calcular o erro IC total associado ao valor de I C para a montagem I E constante empregando as expressões (36)-(46) para T=10ºC. Note que no manual do fabricante I CBO é fornecido para 125 C e portanto você deve determiná-lo a 25 C.

B 50 Laboratório de Eletrônica I Exp. 3 3. Simulação (a ser realizado ANTES da aula experimental) 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 as montagens I B constante e I E constante a 27 C. Utilize os valores de resistores comerciais determinados nos itens 2.1.1 e 2.2.1. 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 5.1.2, 5.1.4, 5.1.5, 5.2.2, 5.2.4 e 5.2.5. 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 os pontos de polarização para os mesmos casos da questão anterior, porém para temperatura de 35ºC (inclua no relatório a listagem de saída com o nome de todos os integrantes da equipe). Baseandose nos resultados obtidos, complete os itens a 35ºC das tabelas 5.1.4 e 5.2.4. Para essas simulações, insira o valor apropriado em "Analysis/ Setup/Temperature...". 3.3 Utilizando o programa PSPICE 6.3a, obtenha o valor de I C quiescente e o seu erro máximo associado (a 25 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 (interpre a listagem!). Preencha os dados relevantes das tabelas dos itens 5.1.6 e 5.2.6. 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 alimetação de "V1", com clique duplo após inserila 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. 3 Polarização de Transistores Bipolares B 51 3. Procedimento Experimental Na sua bancada existem dois transistores bipolares, um sem pintar (preto) e outro pintado (branco). Lembre sempre de anotar nas tabelas abaixo a que transistor as medidas se referem. 5.1 Circuito de polarização com I B constante 5.1.1 Familiarize-se com a placa de montagem "POLARIZAÇÃO COM I B CONSTANTE", anotando os valores nominais e tolerâncias de R B e R C. Baseando-se na figura 3, instale CUIDADOSAMENTE um transistor BC547A na placa de montagem, conectando a seguir a fonte de tensão e ajustando-a convenientemente. Certifique-se que os valores de resistores empregados assemelham-se aos valores projetados no item 2.1.1. Comente qualquer discrepância. Figura 3: Circuito de polarização I B constante empregando o transistor BC547A. RB = RC = 5.1.2 Instale o transistor com chanfro. 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 Tr. com chanfro V RB V RC V BE V CE V CC ESPERADO SIMULADO MEDIDO DESVIO % 27 C Tr. com chanfro I B I C h FE ESPERADO SIMULADO CALCULADO DESVIO %

B 52 Laboratório de Eletrônica I Exp. 3 5.1.3 Utilizando o multímetro, meça novamente o valor de V CE, só que desta vez meça 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?

Exp. 3 Polarização de Transistores Bipolares B 53 5.1.4 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 Simulado Medido Esperado Simulado Medido/ Esperado Simulado Calculado Medido DEPOIS (37 C) ----- ----- ----- VARIAÇÃO % ----- ----- ----- Comparando-se com os valores esperados e simulados, o que podemos concluir? 5.1.5 Substitua CUIDADOSAMENTE o transistor empregado pelo BC547A sem chanfro. Repita o item 5.1.2 para este novo transistor. 27 C Tr. sem chanfro V RB V RC V BE V CE V CC ESPERADO SIMULADO MEDIDO DESVIO % 27 C Tr. sem chanfro I B I C h FE ESPERADO SIMULADO CALCULADO DESVIO %

B 54 Laboratório de Eletrônica I Exp. 3 5.1.6. Compare as variações de I C obtidas para os dois exemplares de transistores BC547A utilizados com as esperadas pela simulação Monte-Carlo. 27 C Circuito I B Constante Circuito I E Constante (não fazer) Resultados experiência Simulado Resultados experiência Simulado Tr.com chanfrotr.sem chanfro PSPICE Tr.com chanfrotr.sem chanfro PSPICE I C I C ----- Os valores de I C simulados são maiores ou menores que os medidos? Isto é razoável?

Exp. 3 Polarização de Transistores Bipolares B 55 5.2 Circuito de polarização com I E constante 5.2.1 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. Baseando-se na figura 4, instale CUIDADOSAMENTE o transistor BC547A com chanfro na placa de montagem, conectando em seguida a fonte de tensão e ajustando-a convenientemente. Certifiquese que os valores de resistores empregados assemelham-se aos valores projetados no item 2.2.1. Comente qualquer discrepância. Figura 4: Circuito de polarização I E constante empregando o transistor BC547A. R 1 = R 2 = R E = R C = 5.2.2 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 Tr. com chanfro V R1 V R2 V RC V RE V BE V CE V CC ESPERADO SIMULADO MEDIDO DESVIO % 27 C Tr. com chanfro I B I C h FE ESPERADO SIMULADO CALCULADO DESVIO %

B 56 Laboratório de Eletrônica I Exp. 3 5.2.3 Utilizando o multímetro, meça novamente o valor de V CE, só que desta vez meça 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 : Ponta do osciloscópio acoplada a V BE VALOR DE V CE MEDIDO COM O MULTÍMETRO 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 5.1.3? Qual a razão?

Exp. 3 Polarização de Transistores Bipolares B 57 5.2.4 Instale o multímetro apropriadamente para medir a tensão sobre R C, anotando o seu valor (anote tém 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 Calculado Medido DEPOIS (37 C) ----- ----- ----- VARIAÇÃO % ----- ----- ----- Comparando-se com os valores esperados e simulados, o que podemos concluir? Comparando-se com os valores do item 5.1.4, o que podemos concluir?

B 58 Laboratório de Eletrônica I Exp. 3 5.2.5 Substitua CUIDADOSAMENTE o transistor empregado pelo BC547A sem chanfro. Repita o item 5.2.2 acima para este novo transistor. 27 C TTr. sem chanfro V R1 V R2 V RC V RE V BE V CE V CC ESPERADO SIMULADO MEDIDO DESVIO % 27 C Tr.sem chanfro I B I C h FE ESPERADO SIMULADO CALCULADO DESVIO % 5.2.6. Monte a tabela abaixo copiando os valores da tabela do item 5.1.6 para as três primeiras colunas da tabela a seguir. Depois, copie os dois valores de I C obtidos em 5.2.2 e 5.2.5 (para os dois exemplares de transistores BC547A no circuito I E constante). 27 C Circuito I B Constante (ítem 5.1.6) Circuito I E Constante Resultados experiência Simulado Resultados experiência Simulado Tr.com chanfrotr.sem chanfro PSPICE Tr.com chanfrotr.sem chanfro 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?

Exp. 3 Polarização de Transistores Bipolares B 59 Comparando-se os valores para o circuito I B constante com os valores para o circuito I E constante, o que podemos concluir? 5.3 Levantamento da curva característica do transistor 5.3.1 Familiarize-se com a placa de montagem "CURVA CARACTERÍSTICA DO TRANSISTOR", medindo os valores de R B e R C, não esquecendo de anotar o erro associado a cada medida. Baseando-se na figura 5 abaixo, instale CUIDADOSAMENTE um transistor BC547A na placa de montagem, conectando, a seguir, a fonte de tensão (inicialmente em 0V e desligada!) e o gerador de funções (inicialmente com amplitude de saída no mínimo e desligado). Selecione a forma de onda senoidal (100Hz) no gerador de funções. Ligue o gerador de funções e a fonte de tensão. Certifique-se que a ponta de prova 10X está calibrada e conecte-a ao canal x do osciloscópio (acop. CC, 1V/div). Conecte a ponta de prova 10X ao canal y do osciloscópio (acop. CC, 1V/div). Conecte ambas as pontas ao circuito. Ajuste e g =10V p. Cuidado para não aterrar o gerador e g (neste gerador - e só neste gerador - a sua saída BNC é flutuante em relação ao terra das bancadas). Figura 5: Circuito para levantamento da característica de saída (I C x V CE ) do transistor.

B 60 Laboratório de Eletrônica I Exp. 3 5.3.2 Ajuste o valor de V BB de forma a obter a curva característica do transistor correspondentes a Ic=2,5mA, para V CE =5,0V. Meça o valor de tensão V BB e o valor de tensão sobre o resistor R B. Imprima a curva obtida usnado o osciloscópio no modo normal (sem average). Calcule o valor do ganho de corrente do transistor no ponto de operação especificado (β F =h FE ), com o respectivo erro associado. 5.3.3 Repita o item 5.3.2 para I C =1,0mA e Ic=5,0mA (V CE =5,0V) Imprima as novas curvas. 5.3.4 Reajuste V BB para I C =2,5mA (V CE =5,0V). Envolva o encapsulamento do transistor com os dedos (sem tocar nos terminais de base, emissor e coletor) durante um minuto, acompanhando a evolução da curva característica. Retire os dedos do transistor e acompanhe a evolução da curva característica atenciosamente pois a evolução é pequena. Anote o que foi observado.

Exp. 3 Polarização de Transistores Bipolares B 61 5. Questões 6.1 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 5.1.2. Comente os resultados obtidos.

B 62 Laboratório de Eletrônica I Exp. 3 6.2 Sobreponha também o novo ponto quiescente obtido no Item 5.1.4. 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 5.1.4 para as curvas I C X V CE. 6.3 Sobreponha, por fim, o ponto quiescente obtido no Item 5.1.5. 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. 3 Polarização de Transistores Bipolares B 63 6.4 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 5.2.2. Comente os resultados obtidos, comparando-os com os resultados do Item 6.1 acima.

B 64 Laboratório de Eletrônica I Exp. 3 6.5 Sobreponha também o novo ponto quiescente obtido no item 5.2.4. 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? 6.6 Sobreponha, por fim, o ponto quiescente obtido no item 5.2.5. Comparando-se 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? 6. Conclusões