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TRANSISTOR BIPOLAR CARACTERÍSTICAS
Tipologia: Notas de aula
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Não perca as partes importantes!
Prof. Alan Petrônio Pinheiro Departamento de Engenharia Elétrica Curso de Engenharia Eletrônica e de Telecomunicações ( campus Patos de Minas) [email protected]
Versão 1.
Direitos autorais reservados. Editado por Alan Petrônio, junho de 2013
potenciais aplicações se sentido estimulado a desenvolvê-la em outras áreas ou disciplinas do curso.
B - Informações sobre os roteiros deste manual Há uma série de “bons hábitos” para o procedimento laboratorial que envolve desde as vestimentas, regras de segurança e manipulação de instrumentos até como proceder para a realização do(s) experimento(s). Nesta seção será discutido o modelo que será usado para a execução dos procedimentos.
Para guiar o aluno na execução dos experimentais é descrito em cada capítulo posterior um roteiro de como proceder na prática de forma pontual. Cada um destes roteiros cobre uma grande variedade de passos, diferentes circuitos e vários tipos de medidas. Assim, provavelmente, um roteiro deverá tomar várias aulas práticas de laboratório e assim que finalizado, deve ser produzido um reporte técnico segundo as regras definidas neste manual. Este reporte sintetizará os resultados alcançados pelo aluno durante as práticas.
Os roteiros são divididos em seções, a saber: (i) objetivos dos experimentos, (ii) referências, (iii) equipamentos e componentes necessários, (iv) pré-laboratório, (v) teoria, procedimentos e medidas e (vi) relatório. Na primeira seção são esclarecidos os objetivos principais do roteiro em questão para que possa ser enfatizado ao aluno as necessidades e aplicações do procedimento que ele está realizando. Na segunda seção são apontadas algumas referências para consulta teórica. Além destas referências, o aluno deve também consultar o professor sempre que julgar necessário. Na terceira seção, são descritos os componentes eletrônicos necessários para a prática assim como os equipamentos de devem ser usados no laboratório para os procedimentos necessários para execução do roteiro. Na quarta seção (‘pré-laboratório’), ela deve ser lida e estuda com antecedência a realização do experimento. Nela, o aluno é, geralmente, instruído a consultar algum data sheet na internet sobre determinado componente, seu uso e aplicação e por isto deve se feita com antecedência. As informações que o aluno julgar importante nesta fase para a montagem do circuito, devem ser anotadas em um “diário de experimentos” (que será discutido mais à frente neste documento). Assim é fundamental que antes de proceder com a prática no laboratório, o aluno antes leia e execute as solicitações feitas nesta seção. Alunos que mostrarem durante o laboratório não terem feito as atividades do “pré-laboratório” serão proibidos de prosseguirem com o experimento até que cumpram com este requisito.
Independente do tipo de experimento, algumas práticas são importantes e comuns a cada procedimento na área de eletrônica. Podemos citar:
o uma vez que o circuito é ligado e se mostra completamente inoperante, a primeira coisa a checar é por erros óbvios. Alguns deles são: fonte desligada ou não funcionando, chaves desligas, conexões perdidas ou com mau contato (use a função de condução do multímetro para verificar a condução de cada fio/nó) ou componentes ligados incorretamente; o sempre que fizer medidas, cheque sua sensibilidade e a faça, se possível, pelo menos 3 vezes desligando e ligando novamente os equipamentos conectados ao circuito. Veja a influência de outros elementos/componentes do circuito na sua medida e os efeitos de precisão do componente e da medida;
o é importante que cada estudante tenha um caderno de anotações (que será aqui chamado de diário de experimentos – no inglês este caderno é geralmente chamado notebook ) onde o aluno deve anotar todas as medidas realizadas e informações úteis para a reprodução do experimento; o é antiético, imoral e altamente recriminado a alteração ou maquiagem de dados que refletem seus resultados para torná-los mais consistente com os cálculos teóricos. Destaca-se que seus reportes técnicos não serão julgados pela “beleza” ou coerência exata dos seus dados.
C - Instruções para uso do laboratório de eletrônica
Para o uso do laboratório de eletrônica é solicitado ao aluno que:
o use somente sapatos fechados, cabelos presos (e sem chapéu/boné), objetos metálicos nas mãos e rosto retirados que se mostrarem potencialmente nocivos, vestimentas fechadas (calças compridas e camisas fechadas), óculos de proteção quando solicitado e outros que o professor solicitar; o levar apenas pertences pessoais indispensáveis (proibido portar celulares ou eletrônicos que podem causar interferência nos circuitos), não portar mochilas nem malas (só quando expressamente autorizado pelo professor) que devem ser guardadas fora do ambiente de laboratório ou local indicado pelo professor (a Universidade não se responsabiliza por pertences pessoais); o utilizar o laboratório somente no horário de aula ou horário definido pelo professor e técnico responsável. o Antes de energizar qualquer circuito, o aluno deve solicitar expressamente e diretamente ao professor a autorização para ligá-lo. Se isto não for feito, a aluno sujeita-se a responsabilidade completa por queima, dano pessoal ou patrimonial além das possíveis sanções acadêmicas por desobediência; o Quando o(s) experimento(s) for satisfatoriamente completado e os resultados aprovados pelo professor/instrutor, o estudante deve desconectar o circuito e retornar os instrumentos e componentes para o local indicado além de proceder com a limpeza e organização do espaço utilizado por ele durante a prática. A não observação desta prática e sua repetição poderá levar à sanções acadêmicas previstas pelo regimento da UFU; o Sempre que terminar o registro dos dados e observações no diário de experimentos (e antes de desmontar o circuito), solicitar ao professor sua assinatura neste diário aprovando este registro de dados (ver posteriormente detalhes sobre este procedimento na seção ‘D - diretrizes para o diário de experimentos’).
D – Diretrizes para o diário de experimentos O diário de experimentos é o registro de todo trabalho, dados e medições de seu experimento. Este registro é uma “memória” das medidas realizadas do experimento e a confirmação de que o experimento foi corretamente montado e vistoriado pelo professor/instrutor. Sua organização pode variar bruscamente. SUGERE-SE, para nossos propósitos um modelo simplificado com as seguintes seções para cada experimento ou circuito a ser montado:
experimento é importante para o estudante enfatizar o propósito para o qual o experimento foi conduzido. Breve teoria Nesta seção, deve ser discutida BREVEMENTE a teoria do dispositivo ou circuito estudado. Esta seção é importante para ajudar o estudante a fazer suas conclusões e comprar com os resultados experimentais com a teoria. As fórmulas utilizadas para calcular os valores teóricos devem também ser expressas aqui. Resultados Todos resultados do experimento aprovados pelo professor no diário de experimentos. Se aplicável, utilize tabelas e gráficos para ajudar na visualização dos resultados e tentar extrair algum padrão. Nesta seção podem ser exibidos dados de simulações que são obrigatórias para confrontação. Discussão e conclusão Uma vez que a descrição e análise dos resultados foi feita na seção anterior, o estudante deve fazer algumas deduções e análises dos resultados. Usualmente, isto envolve a dedução se os resultados finais alcançaram o objetivo ou não e ver a diferença entre os resultados práticos e teóricos tentando explicá-los. Os comentários e comparações feitos pelo roteiro devem ser explicados aqui, nesta seção e discutidos.
Evite ao máximo um texto em primeira ou terceira pessoa e tente ser o mais imparcial possível na escrita sendo sempre claro e conciso e abuse do seu poder de síntese (será avaliado apenas a capacidade de comunicação escrita do aluno e não suas habilidades literárias)
Um dos pontos mais importantes do reporte são as medidas aferidas em laboratório. Inerentemente ao processo de medida, que possui um erro ou incerteza na medida, é importante estabelecer alguma ‘confiança’ que o valor encontrado representa. Assim, quando possível, é importante não só a análise estatística das medidas como também a estimação de sua incerteza. Os próprios instrumentos de medida têm definidos em seus manuais a incerteza de suas medidas. Contudo, para fins de simplificação, não será exigido em um primeiro momento a estimação deste erro e sua incerteza embora o aluno seja encorajado a estimá-lo. Contudo, a repetição e cálculo estatístico de desvios para algumas medidas (que serão indicadas em cada reporte) deverão ser obedecidas e calculadas. O aluno interessado de consultar material específico para avaliar as componentes de erro de medidas e métodos para sua quantificação/análise.
F - Operação dos instrumentos no laboratório Para as práticas de eletrônica, o aluno terá contanto constante com multímetros, fontes de alimentação elétrica, osciloscópios e geradores de sinais. Embora estes instrumentos tenham uma interface e uso um intuitivos é FUNDAMENTAL que o aluno leia e estude o manual dos modelos destes equipamentos que o laboratório da UFU disponibiliza. Espera-se que com isto o aluno (i) entenda melhor as características técnicas e limitações do equipamento, (ii) conheça condições de uso que possam trazer dano ao equipamento e (iii) como otimizar seu uso e outras informações úteis que o fabricante esclarece no manual.
O aluno deve acessar os links da tabela na sequência para ter acesso aos manuais de alguns dos principais instrumentos (os mais comuns) que terá a sua disposição no laboratório. O aluno deve ler pelo menos um manual de cada categoria de instrumento antes de ter sua primeira aula prática. Na primeira aula, o professor apresentará os equipamentos, como deve ser seu uso, armazenamento e manipulação. Os alunos que demonstrarem o descumprimento desta exigência básica de leitura prévia dos manuais serão impedidos de usá-los até que mostrem ao responsável os conhecimentos mínimos exigidos para sua utilização.
Instrumento Marca/Modelo Link para manual Osciloscópio
Minipa MO- 2050 www.alan.eng.br/arquivos/minipa_mo_2050.pdf Minipa MO- 2200 www.alan.eng.br/arquivos/minipa_mo_2 20 0.pdf Instek GDS- 1000 http://www.gwinstek.com/en/product/productdetail.aspx?pid=3&mid=7&id= Multímetro digital Minipa ET-2042D http://www.minipa.com.br/download/manuais/ET-2042D/ET-2042D- 1101 - BR.zip Gerador de funções Minipa MFG- 4221 http://www.minipa.com.br/download/manuais/MFG-4221/MFG- 4221 - 1103 - BR.zip Fonte de alimentação Instrutherm FA3003 Instrutherm FA3005^ www.alan.eng.br/arquivos/www.alan.eng.br/arquivos/instrutherm_fa3003instrutherm_fa3005.pdf.pdf
G - Regras de segurança e orientações gerais O perigo de incidente, dano ou até morte a partir de choque elétrico, fogo ou explosão é presente enquanto os experimentos estão sendo conduzidos no laboratório. Para minimizar estes riscos, é importante que a prudência e algumas de suas práticas sejam obedecidas para minimizar estes riscos inerentes a prática laboratorial. Nesta seção são descritos alguns pontos importantes que devem ser sempre obedecidos durante a utilização do laboratório.
Choque elétrico: evite ao máximo contato com condutores (principalmente os não isolados) enquanto o circuito é energizado. Correntes na faixa de 6 a 30 mA geralmente não causam morte e a própria contração muscular voluntária ainda é eficaz nesta faixa de corrente evitando danos maiores. Contudo, já é passível de morte correntes a partir de 50 mA. Tensões acima de 50 V podem também resultar em morte. Tenha sempre certeza que suas mãos estão secas (para aumentar a resistência elétrica de suas mãos) e, se possível, use luvas isolantes. Mãos com cortes ou molhadas são mais susceptíveis a condução elétrica. Em caso de choques, pressione o botão vermelho de emergência geralmente situado na bancada ou próximo à porta do laboratório. Ele desliga a alimentação das fontes, instrumentos e circuitos (exceto luzes). Quando trabalhar com circuitos energizados, tente trabalhar somente com sua mão direita mantendo a mão esquerda distante de materiais condutivos. Isto reduz a possibilidade de acidentes que resultam em corrente passando pelo coração. Evite ao máximo anéis, relógios e qualquer outro objetivo condutivo no corpo. Exija alicates e outros instrumentos que sejam isolados em sua região de manuseio. Fogo: transistores e outros componentes podem se aquecer muito levando a queima da pele quando tocados. Se resistores ou outros componentes do circuito queimarem produzindo fogo, desligue imediatamente a fonte de alimentação elétrica e notifique o professor/instrutor. Estes pequenos “incêndios” geralmente se extinguem rapidamente quando a alimentação do circuito é desligada. Explosão: o uso de capacitores eletrolíticos/tântalo podem levar à explosões quando tiverem sua polaridade invertida ou sobre-tensão em seus terminais. Assim, antes de ligar seu circuito, dê uma olhada especial nestes componentes e quando energizá-los pela primeira vez, tome um cuidado especial. Especialmente, use óculos de proteção.
Outras medidas gerais também importantes são enumeradas abaixo:
o processo de projeto de um sistema em um ambiente de desenvolvimento tecnológico e de promoção à inovação.
Roteiro 1: Diodos
Os experimentos que se seguem tem por objetivos estudar as características elétricas e aplicações de diodos de junção pn através de exemplos de circuitos ceifadores, reguladores de tensão e retificação.
Importante : Alguns dos experimentos descritos aqui podem levar a queima de componentes. Então confira todas as ligações antes de ligar o circuito à fonte e não use resistências inferiores a 100Ω.
o MALVINO, A.P. "Eletrônica", volume 1. Capítulos 4 e 5. o SEDRA, A. S.; SMITH, K. C. "Microeletrônica", 5ª edição. Capítulo 3. o BOYLESTAD, R.; NASHELSKY, L. "Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos", 8ª edição. Capítulos 1 e 2.
Para os experimentos descritos no item 1.5 serão empregados:
o 1 osciloscópio; 1 gerador de função; 1 multímetro digital; 1 fonte de alimentação e 1 protoboard; o 4 diodos 1N4007 (ou equivalente) e 1 diodo zener 1N754A (ou equivalente desde que Vz=6.8V e Iz_máx > 15mA); o 2 resistência 1kΩ; 1 resistência 10kΩ; 1 resistência 100Ω; o 1 capacitor (eletrolítico) de 1uF; 1 capacitor (eletrolítico) de 100uF; o 1 capacitor de 4.7uF e 1 capacitor de 0.01uF; o 1 LM7805. o 1 trimpot ou potenciômetro (preferencialmente linear) de 10k; Observação: alguns modelos de geradores de sinais são integrados a um osciloscópio. Por isto o terra do osciloscópio é internamente conectado ao terra do gerador de funções. Em alguns destes casos, não se pode conectar o terra do osciloscópio à saída de tensão ( - ) do circuito. Ao invés disto, use os dois canais do osciloscópio no modo diferencial.
Caso não tenha lido os manuais dos instrumentos (osciloscópios, fontes, multímetros e gerador de sinais), leia-os cuidadosamente. Note que na seção 1.5.6 há cálculos teóricos que deverão ser feitos antes do laboratório para que possam ser comparados com as medidas conduzidas durante o experimento.
Consulte os datasheets dos dispositivos abaixo e se julgar necessário, imprima as partes que julgar importante.
o LM o 1N o 1N754A
Figura 1.2 – Circuito ceifador.
Não esqueça de curto-circuitar os terras da fonte, da gerador de sinal e osciloscópio! Ajuste a amplitude da onda seno de entrada para que ela possa ser ceifada e salve a forma de onda resultante.
Monte o circuito da Figura 1.3 e injete na entrada uma onda senoidal de 60Hz com 15V de tensão de pico a pico. Utilize uma resistência de carga de 10k ohm. Observe o valor eficaz na carga utilizando um multímetro e depois um osciloscópio para ver a forma de onda. Grave a forma de onda da saída.
Figura 1.3 – Circuito retificador de onda completa
Coloque em paralelo com a carga um capacitor de 1uF e veja a forma de onda no osciloscópio. Salve-a. Troque novamente o capacitor em paralelo por um de 100uF (ou outro valor superior a este). Note que o capacitor que você irá usar tem polaridade! Salve novamente a forma de onda e compare os gráficos gerados para os 3 casos. Anote o valor de ripple e a tensão DC de saída. Outra possibilidade é usar no lugar de um gerador de sinais é um transformador. Havendo disponibilidade de transformadores para fontes no laboratório, estes serão usados no lugar do gerador de sinal. Consultar o professor para ligar o transformador abaixador. Antes de ligar, considere a potência gasta no resistor de carga calculando ela e vendo se seu valor não excede sua potência nominal.
Monte no mesmo protoboard que construído o circuito da Figura 1.3 o esquema mostrado na Figura 1.4. Ele será posteriormente ligado à saída do circuito da Figura 1.3. Na entrada da Figura 1.4 conecte uma fonte de 10 a 12V aproximadamente. Constante que a saída do regulador é 5V.
Figura 1.4 – Circuito regular de tensão LM
Realizado o passo anterior, ligue o circuito da Figura 1.4 a saída do circuito 1.3 resultado no circuito ilustrado na Figura 1.
Figura 1.5 – Circuito de fonte AC-DC completo.
Monte o circuito da Figura 1.6 utilizando um Zener 1N754 (Vz=6.8V e Izm_máx=55mA) ou equivalente e meça a tensão no resistor R considerando os seguintes casos: (i) R=10kΩ, (ii) 1kΩ e (iii) R=100 Ω. Indique também quais os valores de corrente para cada um destes valores de resistores e compare com os valores teóricos que deverão ser calculados pelo estudante e mostrados no relatório. Cuidado ao ligar o diodo Zener pois ele é relativamente sensível e fácil de queimar quando manipulado/ligado erroneamente.
Figura 1.6 – Circuito com diodo zener para regular a tensão na carga R.
Calcule o valor de R na figura anterior para o qual o diodo zener deixa de entrar na zona de regulação. Verifique sue calculo experimentalmente utilizando um trimpot ou resistências
Observação : Para evitar um curto que desativará o zener da Figura 1.6, ligue em série a R um resistor de 100 Ω. Isto irá assegurar que ao zerar o trimpot será mantido pelo menos um resistência de 100 Ω ligado em paralelo ao diodo.
Além das indicações feitas na seção específica desde documento, inclua também no reporte:
Roteiro 2 - Polarização de transistores bipolares
Os experimentos deste roteiro trabalham com o conceito de polarização de transistores bipolares de junção (TBJ). Alguns dos principais métodos de polarização são testados e suas propriedades avaliadas com o objetivo de entender a necessidade da polarização de transistores na amplificação de sinais na região ativa de trabalho do TBJ. A região de corte e saturação também é abordada para ilustrar diferentes tipos de operação do transistor.
o MALVINO, A.P. "Eletrônica", volume 1. Capítulos 6, 7 e 8. o SEDRA, A. S.; SMITH, K. C. "Microeletrônica", 5ª edição. Capítulo 5. o BOYLESTAD, R.; NASHELSKY, L. "Dispositivos Eletrônicos e Teoria de Circuitos", 8ª edição. Capítulos 3 e 4.
Para os experimentos descritos no item 2.5 serão empregados:
Equipamentos Qtde Dispositivo 1 Osciloscópio de 2 canais 1 Fonte de alimentação elétrica(preferencialmente simétrica) 1 Gerador de sinais 1 Protoboard 2 Multímetros
Componentes Qtde Dispositivo 1 Transistor BC 337 (ou 2N4400 ou 2N2222 ou 2N3904) 1 Relé 12V (ou equivalente) 2 Potenciômetro de 1M 1 Chave táctil 1 Diodo 400X Resistências diversas
Consulte os datasheets dos dispositivos abaixo e se julgar necessário, imprima as partes que julgar importante.
o Transistor BC o Relé 10A, 12V de 1 polo. Este roteiro envolve em algumas partes a conexão de entrada-saída de circuitos. Por isto é importante observar dois importantes esquemas de ligação como ilustra a Figura 2.1. Tente entender o esquema e cuidado na hora de fazer este tipo de conexão.
(a) (b) Figura 2.1 – Esquemas de ligação de entrada e saída. (a) Ligação correta e (b) ligação incorreta que pode ocasionar queima pois uma saída pode se sobrepor a outra.
Nesta seção serão abordadas três aplicações comuns para o transistor: (i) o seguidor de emissor, (ii) o transistor como chave e (iii) uma fonte de corrente transistorizada.
a) Utilizando a função de teste de diodo do multímetro, teste os dois diodos que fazem parte do TBJ conforme ilustração da Figura 2.2. Meça sua tensão de polarização direta. Anote os valores para um (ou mais) transistor indicando seu modelo.
Figura 2.2 – O transistor visto como diodos equivalentes.
b) Utilizando a função hFE do multímetro, indique o valor de ganho de pelos menos três diferentes transistores (que podem ser do mesmo tipo ou não). Indique estes valores no reporte.
a) Monte no protoboard o circuito da Figura 2.3.
Figura 2.3 – Circuito do experimento 2.5.2: polarização da base. O potenciômetro na base ajuda a polarizar o transistor
b) Usando os potenciômetros e seus ajustes, tente polarizar o transistor aproximadamente próximo ao meio da reta de carga. Meça os valores de corrente e tensão indicados na Figura e no reporte técnico indique os valores de resistências alcançados para atingir esta polarização. Desenhe a reta de carga. c) Insira um potenciômetro de 5kΩ no emissor do transistor (gerando uma nova modalidade de polarização conhecida como polarização do emissor) e repita o procedimento de polarização indicando os valores de resistência da base e do emissor, suas respectivas correntes e a tensão VCE. Desenhe a reta de carga.
Geralmente, a impedância de entrada de um circuito transistorizado é apenas resistiva para frequências abaixo de 100 kHz, pois as capacitâncias parasitas do transistor podem ser consideradas
Figura 2.5 – Medição de impedância do seguidor de emissor.
b) Ajuste a entrada para ter uma forma de onda senoidal. Antes de ligar a carga, meça o valor de pico de saída. Em seguida, ligue a carga (antes certifique-se que ela esteja em seu máximo valor) e decremente o valor até que a saída caia pela metade do valor original quando não havia carga. Assim, o valor da carga é igual à impedância de saída do circuito. Comente sobre o procedimento no reporte técnico e indique o valor de resistência de carga encontrado que se equipara a impedância de saída. Estime o valor teórico de re a partir da corrente de polarização IE e compare com o valor medido.
a) Neste exemplo, o transistor funciona como uma chave e por isto deve operar na região de corte e saturação. Monte o circuito da Figura 2.6a ou 2.6b segundo sua conveniência.
(a) (b) Figura 2.6 – Transistor como chave para acionar relé.
b) Meça a corrente no coletor e estipule a resistência da bobina do relé. Ainda, mostre através de cálculos porque este transistor está provavelmente na região de corte e saturação. Antes, meça a tensão na base do transistor em relação ao terra. Utilize este valor nos seus cálculos para explicar o motivo da saturação do transistor. c) Solicite ao professor algum equipamento de tensão nominal 127/220 V para que o relé possa acioná-lo e assim verificar uma de suas muitas aplicações práticas.
a) Monte o circuito da Figura 2.7 e estime, através de cálculo, os valores teóricos de corrente da base e VE e IE. Note que a carga é simulada por um potenciômetro. Deixe o potenciômetro ajustado em seu máximo valor antes de energizar o circuito.
Figura 2.7 – Transistor como fonte de corrente.
Importante : Antes de energizar o circuito, coloque o amperímetro em sua maior escala possível para evitar danos ao mesmo.
b) Varie e carga e anote o valor resistência de carga versus corrente na carga. Para isto estime pelo menos valores como, por exemplo, 2k, 1k, 500 e 100Ω. c) No reporte técnico, compare os resultados medidos em laboratório através das variações de corrente medidas (em função da variação de carga) e faça um paralelo com o “espelho de corrente” da Figura 2.8 em uma tabela similar a que se vê na sequência. O circuito desta última Figura deve ser simulado através do MultSim com os mesmos valores de cargas medidos em laboratório e veja qual destes circuitos se comporta melhor como fonte de corrente e é mais imune a variação de carga. Ainda que as correntes tenham amplitudes diferentes pois são circuitos completamente diferentes, note apenas a variação de corrente nos dois casos. Fonte de corrente da Figura 2. (valores medidos em laboratório)
Espelho de corrente valores simulados no MultSim) RL IL RL IL 100Ω 100Ω 500Ω 500Ω 1kΩ 1kΩ 2kΩ 2kΩ
Figura 2.8 – Espelho de corrente para simulação no MultSim e comparação com outras fontes de corrente..
