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a_p_eletronica_analogica, Trabalhos de Eletrônica

atividade pratica da disciplina de eletrônica analógica

Tipologia: Trabalhos

2021

Compartilhado em 09/03/2021

danil-einhardtche
danil-einhardtche 🇧🇷

4 documentos

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Atividade Prática Eletricidade
D. Einhardt Borges
Centro Universitário Uninter
Carlos Gomes Rua Pedro Ivo 479 CEP: 80010-020 Curitiba PRBrasil
Resumo. Neste experimento demonstrarei de forma prática o uso de transistores como o
amplificador, com a realização dos cálculos necessários para a utilização dos resistores
de polarização, bem como, o cálculo de tensões, correntes, e a montagem e medição dos
mesmos em protoboard, também será abordado a resposta em frequência.
Palavras chave: Transistor, Amplificador, Polarização, Emissor, Coletor, Base.
Introdução
Amplificador, segundo o Dicionário do Aurélio: 1 Que ou o que amplifica. 2 Aparelho que
aumenta a força de uma oscilação elétrica. Ou seja, o amplificador e um circuito utilizado para aumentar
a potência de sinal analógico, aumentando a tensão e fornecendo a corrente de saída. Nos primórdios da
eletrônica quem realizava essa tarefa eram as válvulas, porém demandavam um alto consumo de energia
e ocupavam muito espaço. Eis que surgem então os semicondutores, formados por dois tipos de
elementos: um do tipo N (excesso de elétrons), e outro do tipo P (excesso de lacunas) revolucionando a
eletrônica. Dentre as inúmeras utilidades dos semicondutores está o transistor, capaz de realizar diversas
operações, e uma delas e a de amplificar sinais analógicos, que por consumir menos energia e espaço
logo substituiu as válvulas.
O amplificador é considerado linear quando não modifica a forma de onda do sinal de entrada e a
relação entre sinal de saída e sinal de entrada é determinada por uma constante (ganho). O amplificador
pode ter ganho de tensão, ganho de corrente ou ambos.
É necessário que praticamente todos os sinais analógicos sejam amplificados antes de serem
processados por sistemas tanto analógicos quanto digitais, e a unidade básica de amplificação é o
transistor.
Segue tabela com os materiais necessários para a realização do experimento, bem como uma
imagem com o laboratório montado.
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Atividade Prática Eletricidade

D. Einhardt Borges

Centro Universitário Uninter

Carlos Gomes – Rua Pedro Ivo – 479 – CEP: 80010- 020 – Curitiba – PR–Brasil

e-mail: [email protected]

Resumo. Neste experimento demonstrarei de forma prática o uso de transistores como o amplificador, com a realização dos cálculos necessários para a utilização dos resistores de polarização, bem como, o cálculo de tensões, correntes, e a montagem e medição dos mesmos em protoboard, também será abordado a resposta em frequência. Palavras chave: Transistor, Amplificador, Polarização, Emissor, Coletor, Base. Introdução Amplificador, segundo o Dicionário do Aurélio: 1 Que ou o que amplifica. 2 Aparelho que aumenta a força de uma oscilação elétrica. Ou seja, o amplificador e um circuito utilizado para aumentar a potência de sinal analógico, aumentando a tensão e fornecendo a corrente de saída. Nos primórdios da eletrônica quem realizava essa tarefa eram as válvulas, porém demandavam um alto consumo de energia e ocupavam muito espaço. Eis que surgem então os semicondutores, formados por dois tipos de elementos: um do tipo N (excesso de elétrons), e outro do tipo P (excesso de lacunas) revolucionando a eletrônica. Dentre as inúmeras utilidades dos semicondutores está o transistor, capaz de realizar diversas operações, e uma delas e a de amplificar sinais analógicos, que por consumir menos energia e espaço logo substituiu as válvulas. O amplificador é considerado linear quando não modifica a forma de onda do sinal de entrada e a relação entre sinal de saída e sinal de entrada é determinada por uma constante (ganho). O amplificador pode ter ganho de tensão, ganho de corrente ou ambos. É necessário que praticamente todos os sinais analógicos sejam amplificados antes de serem processados por sistemas tanto analógicos quanto digitais, e a unidade básica de amplificação é o transistor. Segue tabela com os materiais necessários para a realização do experimento, bem como uma imagem com o laboratório montado.

Tab. 1: Materiais necessários. Componentes Quantidade Material Utilizado Kit Número da Caixa Código Uninter 1 Transistor BC337 NPN Boole 9 0205102 2 Capacitores de 10μF Edison 5 0105047 4 Resistores Edison 5 0110025 a 011034 Equipamentos / Ferramentas Quantidade Descrição Kit Número da Caixa Código Uninter 1 Osciloscópio /Analisador Lógico Boole 7 0201071 1 Multímetro Edison 1 0101001 1 Adaptador AC Edison 3 0101003 1 Fonte Ajustável Edison 3 0101004 1 Protoboard Edison 2 0101002 1 Adaptação de Áudio Boole 11 0201124 1 Transformador Boole 10 0201123 Fig. 1: Laboratório montado para a realização do experimento.

Fig. 3: Medição da tensão de coletor emissor VCE. b. Vbe: Para medir a tensão de base emissor coloque o multímetro no modo tensão, escala de 2V. Coloque as pontas como indicado na Figura 4 e preencha a Tabela 2. Fig. 4: Medição da tensão de base emissor Vbe. c. IC: Para medir a corrente de coletor abra o circuito de coletor (desconecte o resistor Rc do coletor do transistor). Coloque o multímetro no modo corrente, escala de 20mA. Coloque as pontas como indicado na Figura 5 e preencha a Tabela 2. Fig. 5 : Medição da corrente de coletor IC. d. IE: Para medir a corrente de emissor abra o circuito de emissor (desconecte o resistor Re do emissor do transistor). Coloque o multímetro no modo corrente, escala de 20mA. Coloque as pontas como indicado na Figura 6 e preencha a Tabela 2.

Fig. 6: Medição da corrente de emissor IE. e. IB: Para medir a corrente da base abra o circuito da base (desconecte a base do transistor). Coloque o multímetro no modo corrente, escala de 200μA. Coloque as pontas como indicado na Figura 7 e preencha a Tabela 2. Fig. 7: Medição da corrente da base IB. Análise e Resultados Utilizando os parâmetros dados para o projeto e os valores dados vamos calcular o restante dos resistores necessários, bem como as tensões e correntes do circuito. Fórmulas: 𝑉𝑐𝑒 = 𝑉𝑐𝑐 2 𝐼𝑐^ =^ 𝛽𝐼𝑏^ 𝐼𝑒^ =^ 𝐼𝑐^ +^ 𝐼𝑏^ 𝐴𝑣^ =^ 𝑣𝑜 𝑣𝑖 =^ −^ 𝑅𝑐 𝑅𝑒 𝑉^ =^ 𝑅𝑥𝐼 Dado: Re=1KΩ; R2=10KΩ; Vcc=15V; Av=-2; Vbe=0.7. Cálculos: 𝑉𝑐𝑒 = 𝑉𝑐𝑐 2 =^ 15 2 =^7.^5 𝑉^ 𝐴𝑣^ =^ −^ 𝑅𝑐 𝑅𝑒 →^ −^2 =^ −^ 𝑅𝑐 1 𝑥 103 →^ 𝑅𝑐^ =^2 𝐾Ω Para 𝐼𝑒 ≅ 𝐼𝑐 𝑉𝑐𝑐 = 𝐼𝑐. 𝑅𝑐 + 𝑉𝑐𝑒 + 𝐼𝑒. 𝑅𝑒 → 𝐼𝑒 = 2. 5 𝑚𝐴

Tab. 2: Ponto de operação do transistor. Calculado Medido 𝑽𝑪𝑬[𝑽] 7.5 7. 𝑽𝑩𝑬[𝑽] 0.7^ 0. 𝑰𝑪[𝒎𝑨] 2. 42 2. 𝑰𝑬[𝒎𝑨] 2.5^ 2. 𝑰𝑩[μ𝑨] 9.66^ 6. Podemos notar que existe algumas variações entre os valores calculados e os medidos, isso se dá devido as tolerâncias dos componentes, durante o processo de fabricação é muito difícil que se consiga um valor exato para um componente. Também ocorrem alterações devido a pequenas variações da tensão da rede de distribuição. Procedimento Experimental Experimento 2: O transistor como amplificador Utilizando os materiais disponíveis nos Kits de engenharia Edson e Boole, após ter realizado a polarização do transistor, vamos demonstrar o funcionamento do amplificador transistorizado, analisando os sinais de entrada e de saída. O circuito a ser montado é o da figura abaixo. Fig. 10: Circuito a ser montado.

  1. Coloque os capacitores de bloqueio de continua (filtros) C1 e C2 na entrada e na saída do amplificador. O capacitor C1 é necessário para que o sinal de contínua de polarização da etapa anterior não tire o amplificador do seu ponto de operação. O capacitor C2 na saída serve para que o sinal de contínua de polarização desta etapa não apareça na etapa posterior. Os dois capacitores bloqueiam a tensão contínua, mas deixam passar o sinal a ser amplificado.
  2. Ajuste o gerador de sinais para fornecer um sinal senoidal de 1V de tensão de pico a pico (aproximado), com uma frequência aproximada de 1kHz (aproximada).
  3. Coloque este sinal na entrada do amplificador transistorizado como mostra a Figura 10 e verifique no osciloscópio os sinais de entrada e saída. Canal 1 sinal de entrada, canal 2 sinal de saída.
  4. A ponta de prova do Canal 1 do osciloscópio deverá ser colocada como indica o conector amarelo e a ponta de prova do Canal 2 como indica o conector azul. Os terminais terra das duas pontas deverão ser colocados no terra do circuito.

Fig. 11: Circuito montado.

  1. Varie o formato, amplitude, forma de onda e frequência do sinal de entrada e verifique o sinal de saída. A resposta do sistema é linear? Não é linear, pois o circuito vai perdendo ganho quando fica abaixo da frequência de corte inferior, pois em baixas frequências há uma grande influência da reatância capacitiva (XC) no circuito, também porque, o circuito vai perdendo ganho quando fica acima da frequência de corte superior, pois o transistor, em sua construção, não suporta altas frequência. Internamente há entre as pastilhas N, P e N (no caso desta experiência), pequenas área s isolantes, que funcionam com o capacitores, essa baixa capacitância gera um alto valor de reatância capacitiva (Xc, em Ω) dependendo da frequência; Esse comportamento pode ser observado no experimento 3 desde documento.
  2. Aumente a amplitude do sinal de entrada para 10V pico a pico. O que acontece com o sinal de saída se o sinal de entrada é grande? O sinal de saída fica distorcido pois um grande sinal de entrada altera as configurações do transistor.
  3. Usando os valores de pico a pico dos sinais de entrada e saída calcule o ganho de tensão 𝐴𝑣 = 𝑣𝑜 𝑣𝑖 e preencha a Tabela 3. Análise e Resultados Experimento 2: O transistor como amplificador Com a montagem do circuito e a análise dos sinais de entrada e saída do amplificador transistorizado na configuração emissor comum polarizado em Classe A. O sinal de saída está invertido

Procedimento Experimental Experimento 3: Resposta em Frequência O teste de resposta em frequência é de fundamental importância para todos os sistemas que trabalham qualquer tipo de sinal. Neste teste será possível constatar a faixa de frequências na qual o circuito responde corretamente. Desta forma é possível saber que tipo de sinal o amplificador vai poder amplificar (áudio, vídeo, sinais biológicos, temperatura, pressão, etc.). Este teste serve para verificar o desempenho de circuitos, equipamentos, sistemas e componentes eletrônicos e elétricos em relação a sinais compostos por harmônicos de várias frequências. Abaixo e acima de determinadas frequências chamadas frequências de corte a potência do sinal de saída cai abaixo da metade da potência que o mesmo tem entre as duas frequências (banda passante). Todo sinal cuja frequência seja inferior à frequência de corte inferior fL (L de Low) será rejeitado, e todo cuja frequência seja superior à frequência de corte superior fH (H de High) será rejeitado também. No teste de resposta em frequência, as frequências de corte são aquelas para as quais o ganho (neste caso ganho de tensão) é igual a 70% do ganho na banda passante, ou tem 3dB a menos se estivermos considerando a escala decibel para o ganho, como apresentado na Figura 13. Fig. 13: Resposta em frequência de um amplificador.

  1. Ajuste o gerador de sinais para fornecer um sinal senoidal de 1V de tensão de pico a pico (aproximado). Para o teste a frequência do sinal deverá variar entre 1Hz e 20kHz. Para cada valor de frequência a Tabela 4 deverá ser preenchida. Não será possível verificar a frequência de corte superior devido a limitações do gerador.
  2. A ponta de prova do Canal 1 do osciloscópio deverá ser colocada como indica o conector amarelo e a ponta de prova do Canal 2 como indica o conector azul. Os terminais terra das duas pontas deverão ser colocados no ponto terra do circuito.
  3. De 1 a 10Hz: tirar várias medições (nesta faixa está a frequência de corte inferior).
  4. Entre 50Hz e 20kHz tirar algumas medições.
  5. Identifique a frequência de corte inferior considerando que nessa frequência o valor da amplitude (ganho) é 70% da amplitude máxima.
  1. Monte um gráfico de AV em função da frequência e verifique a resposta do amplificador. Identifique a banda passante do amplificador (ganho máximo). O eixo da frequência deverá estar em escala logarítmica. Fig. 14: Circuito a ser medido. Análise e Resultados Experimento 3: Resposta em Frequência Nesse experimento podemos analisar o papel dos capacitores, que são de fundamental importância quando não temos uma frequência fixa no circuito. Por meio do experimento realizado, foi possível observar a atuação dos capacitores como elemento fundamental para o levantamento da curva de ganho do amplificador, e o estabelecimento da largura de banda do circuito. Outro efeito verificado foi a influência de uma baixa capacitância, gerada pelo transistor, que fez com que valores muito baixos não resultassem em um valor alto de ganho. Tab. 4: Resposta em frequência 𝒇[𝑯𝒛] 𝒗𝒊[𝑽] 𝒗𝒐[𝑽]

Referências [1] BOLTON, W. Análise de circuitos elétricos. São Paulo: Makron Books, 1995. IRWIN, J. D. Análise de circuitos em engenharia. São Paulo: Makron Books, 2000. [2] https://dicionariodoaurelio.com ; Acessado dia 28 de março de 2018. [3] BOYLESTAD, R. L.; NASHELSKY, L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2004.