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Exp. 3 – Dispositivos de Potência B–
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.
1.2. Projeto (transistor como chave de potência)
Chaveamento do transistor bipolar MJE
Cf1// Cf
Figura 1: Circuito de chaveamento do transistor bipolar PNP
Precisamos conhecer as tensões V 2 e V 1 (correspondentes a iB2 e iB1 ) 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 VG2 (>0) e VG1 (<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 VG2 e VG1 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 (RB + 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 vA(t) e iB(t) , em função de vG(t) , identificando quais os valores de V 1 , V 2 , iB1 e iB2. Considerar que o transistor bipolar a ser empregado é o transistor bipolar de potência MJE2955 (silício) com VBEsat = - 0,65V e VCEsat = -0,5V. Se necessário, considere RC = 22Ω/2W e RB = 27Ω (valores da placa).
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 vG(t) está em VG2 (que define V 2 e a corrente de base nula).
B–4 Laboratório de Eletrônica – Exp. 3
b) Considere vG (t) como uma onda retangular de 5,1 V de amplitude pico a pico e com offset de -1,1 V. Determine VG2 e VG1. Esboce as formas de onda de VA(t) , iB(t) , iC(t) e vCE(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 , IB1 , IB2 e ICsat.
Ger. Func. (Amplitude p-p)
Ger. Func. (Offset)
V 1 V 2 IB1 IB2 ICSAT
5,1V -1,10V
OBS.: Não se esqueça de preparar também os itens de projeto da Parte 2 – Retificador Controlado de Silício.
Exp. 3 – Dispositivos de Potência B–
1.3. 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 RB RC Cf1 Cf
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 VG1 e VG2 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 VA (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 RB (isto é VA-VB) [Anexo 1.B] e a seguir imprima a forma de onda da tensão no ponto A sincronizada com a tensão de coletor ( VC ) [Anexo 1.C]. Destaque claramente sobre as formas de onda os tempos de subida, descida e armazenamento além de V 1 , V 2 , iB1 , iB.
Obs. 1: Observar que se está medindo iB (t) indiretamente através da tensão sobre RB e iC (t) indiretamente através da tensão de coletor (note que esta última nada mais é do que o complemento da forma de onda de iC (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 VA e VB , 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 ( VRB = VA - VB ) os dois canais devem ter as mesmas escalas de tensão. Observar se a forma de onda iB (t) obtida corresponde à forma de onda da figura do item 1.2. b.
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Comentários e Conclusões
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.
2.1. Projeto (SCR)
a) No circuito da figura 1, provar que o valor de P para um dado θ desejado é dado por:
R R
R E
P sen B^ G − B −
×
= ×
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.
θ (graus) P calculado (Ω)
θmin=
20
30
40
50
60
70
80
θmax=
c) Desenhe em papel milimetrado o gráfico P calculado em função de θ para o circuito da figura 2 [Anexo 2.A].
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 VGT , que foi considerado igual a 0,6 Volts no cálculo teórico. O valor de VGT do SCR de sua bancada deve estar acima ou abaixo de 0. Volts?
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Comentários e Conclusões
