Escola Politécnica - USP

PSI 2325 Laboratório de Eletrônica IExp 3: Polarização de Transistores Bipolares

Equipe: -

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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 doprojeto e implementação de circuitos de polarização por IB e IE constantes. Analisara estabilidade do ponto de polarização em função da dispersão de parâmetros doscomponentes e da variação de temperatura;

• Aprender a utilizar curvas do manual do fabricante em projetos de circuitoseletrônicos e avaliar as limitações de seu uso;

• Tomar contato com o programa "PSPICE STUDENT VERSION" para simulação CC decircuitos eletrônicos e para análise da influência da temperatura e da dispersão dosparâmetros 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 1518 22 27 33 39 47 56 68 82) e resistores de 3 k

2.1 Circuito de Polarização por IB Constante

2.1.1 Projetar um circuito de polarização IB constante onde ICQ=2,5mA. Sabe-se que

VCC=15V e que o transistor a ser empregado é o BC547A. A partir dos valores de

componentes projetados aproximados para os valores comerciais calcule VRB , V RC ,

VBE , VCE , VCC , IB , IC e hFE (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 IB constante empregando o transistor BC547A.

Exp. 3 – Polarização de Transistores Bipolares B–47

2.1.2 Calcular o erro ∆IC total (∆s e ∆T) associado ao valor de IC para a montagem IB

constante empregando as expressões (20)-(30) para ∆T=10ºC.

B–48 Laboratório de Eletrônica I – Exp. 3

2.2 Circuito de Polarização por IE Constante

2.2.1 Projetar um circuito de polarização IE constante onde ICQ=2,5mA. Sabe-se que

VCC=20V e que o transistor a ser empregado é o BC547A. A partir dos valores de

componentes projetados aproximados para os valores comerciais, calcule VR1 , V R2 ,

VRC , VRE , VBE , VCE , VCC , IB , IC e hFE (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

RB=25KΩ e RC≅4RE.

Figura 2: Circuito de polarização IE 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 IC para a montagem IE constanteempregando as expressões (36)-(46) para ∆T=10ºC. Note que no manual do fabricanteICBO 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 depolarização para as montagens IB constante e IE constante a 27°C. Utilize os valores deresistores comerciais determinados nos itens 2.1.1 e 2.2.1. Obtenha os valores paraVRB , VRC , VBE , VCE , VCC , IB , IC e hFE (todos a 27°C) e preencha esses valoresSIMULADOS nas tabelas dos itens 5.1.2, 5.1.4, 5.1.5, 5.2.2, 5.2.4 e 5.2.5. Inclua norelatório a listagem de saída (menu Analysis/Examine Output do Schematics Editor) como 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 osmesmos casos da questão anterior, porém para temperatura de 35ºC (inclua norelatório a listagem de saída com o nome de todos os integrantes da equipe). Baseando-se 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 IC quiescente e o seu erromáximo associado (a 25°C) para os mesmos casos do item 3.1. Para isso, empregue aANÁLISE MONTE CARLO, pois ela considera a dispersão dos parâmetros doscomponentes durante a simulação. Avalie a importância das dispersões de parâmetrosno projeto de um circuito eletrônico. Inclua no relatório as partes importantes da listagemde saída com o nome de todos os integrantes da equipe (interpre a listagem!). Preenchaos 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 sobrecada 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" No menu “Analysis/Setup/DC”Analisys: Monte CarloMC Runs: 200Analysis Type: DCOutput Variable: IC(Q1) - (Lembre-se de chamaro transistor por "Q1", com clique duplo apósinseri-lo no diagrama)Function: YMAXEm MC Options, selecione a caixa de verificação"List"

Swept variable type: Voltage Source

Name: V1 (Lembre-se de chamar a fonte dealimetação de "V1", com clique duplo após inseri-la no diagrama)Sweep type: LinearStart Value: 15/20 (conforme o caso)End Value: 15/20 (conforme o caso)Increment: 1

• Nas impressões solicitadas (listagens) basta apenas apresentar o schematicsnetlist (com o nome dos alunos) e os dados calculados para o transistor (bipolarjunction 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 outropintado (branco). Lembre sempre de anotar nas tabelas abaixo a que transistor asmedidas se referem.

5.1 Circuito de polarização com IB constante

5.1.1 Familiarize-se com a placa de montagem "POLARIZAÇÃO COM IB CONSTANTE",anotando os valores nominais e tolerâncias de RB e RC. Baseando-se na figura 3,instale CUIDADOSAMENTE um transistor BC547A na placa de montagem, conectando aseguir a fonte de tensão e ajustando-a convenientemente. Certifique-se que os valoresde resistores empregados assemelham-se aos valores projetados no item 2.1.1.Comente qualquer discrepância.

Figura 3: Circuito de polarização IB constante empregando o transistor BC547A.

RB = RC =

5.1.2 Instale o transistor com chanfro. Verifique se o ponto quiescente satisfaz ascondições de projeto, medindo os valores de VRB, VRc, VBE, VCE e VCC com omultímetro. Calcule os valores de IB, IC e do ganho de corrente do transistor no ponto deoperação experimental (βF=hFE).

27°C

Tr. com chanfro VRB VRC VBE VCE VCC

ESPERADO

SIMULADO

MEDIDO

DESVIO %

27°C

Tr. com chanfro IB IC hFE

ESPERADO

SIMULADO

CALCULADO

DESVIO %

B–52 Laboratório de Eletrônica I – Exp. 3

5.1.3 Utilizando o multímetro, meça novamente o valor de VCE, só que desta vez meçadeixe uma ponta de prova acoplada a VBE (osciloscópio no modo CC). Anotecuidadosamente o valor de tensão de VCE lido com o multímetro quando a ponta deprova está e não está medindo o valor de VBE:

VALOR DE VCE MEDIDO COM O MULTÍMETRO

Ponta do osciloscópio acoplada a VBE Sem ponta do osciloscópio acoplada a VBE

VCE = VCE =

Em que caso o valor lido com o multímetro (VCE) corresponde ao valor real?

Exp. 3 – Polarização de Transistores Bipolares B–53

5.1.4 Instale o multímetro apropriadamente para medir a tensão sobre RC, anotando oseu valor. Envolva o encapsulamento do transistor com os dedos (sem tocar quaisquerterminais) durante um minuto, acompanhando a evolução de VRC. Anote o valor de VRC

lido logo APÓS retirar os dedos do transistor. Calcule os novos valores de IC e de VCE.

VRC IC VCE

Esperado Simulado Medido Esperado SimuladoMedido/

CalculadoEsperado Simulado Medido

ANTES (27°C)

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 VRB VRC VBE VCE VCC

ESPERADO

SIMULADO

MEDIDO

DESVIO %

27°C

Tr. sem chanfro IB IC hFE

ESPERADO

SIMULADO

CALCULADO

DESVIO %

B–54 Laboratório de Eletrônica I – Exp. 3

5.1.6. Compare as variações de IC obtidas para os dois exemplares de transistoresBC547A utilizados com as esperadas pela simulação Monte-Carlo.

27°C

Circuito IB Constante Circuito IE Constante (não fazer)

Resultados experiência Simulado Resultados experiência Simulado

Tr.com chanfroTr.sem chanfro PSPICE Tr.com chanfroTr.sem chanfro PSPICE

IC

∆IC -----

Os valores de ∆IC 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 IE constante

5.2.1 Familiarize-se com a placa de montagem "POLARIZAÇÃO COM IE CONSTANTE" ,anotando os valores nominais e tolerâncias de R1, R2, RE e RC. Baseando-se na figura4, instale CUIDADOSAMENTE o transistor BC547A com chanfro na placa de montagem,conectando em seguida a fonte de tensão e ajustando-a convenientemente. Certifique-se que os valores de resistores empregados assemelham-se aos valores projetados noitem 2.2.1. Comente qualquer discrepância.

Figura 4: Circuito de polarização IE constante empregando o transistor BC547A.

R1 = R2 = RE = RC =

5.2.2 Verifique se o ponto quiescente satisfaz as condições de projeto, medindo osvalores de VR1, VR2, VRC, VRE, VBE, VCE e VCC. Calcule os valores de IB, IC e o ganho decorrente do transistor no ponto de operação experimental (βF = hFE)

27°C

Tr. com chanfro VR1 VR2 VRC VRE VBE VCE VCC

ESPERADO

SIMULADO

MEDIDO

DESVIO %

27°C

Tr. com chanfro IB IC hFE

ESPERADO

SIMULADO

CALCULADO

DESVIO %

B–56 Laboratório de Eletrônica I – Exp. 3

5.2.3 Utilizando o multímetro, meça novamente o valor de VCE, só que desta vez meçadeixe uma ponta de prova acoplada a VBE (osciloscópio no modo CC). Anotecuidadosamente o valor de tensão de VCE lido com o multímetro quando a ponta deprova está e não está medindo o valor de VBE:

VALOR DE VCE MEDIDO COM O MULTÍMETRO

Ponta do osciloscópio acoplada a VBE Sem ponta do osciloscópio acoplada a VBE

VCE = VCE =

A diferença nos dois valores medidos de VCE foi maior ou menor que a mesmadiferença 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 RC, anotando oseu valor (anote tém o valor de VCE). Envolva o encapsulamento do transistor com osdedos (sem tocar em seus terminais) durante um minuto, acompanhando a evolução deVRC. Anote o valor de VRC e de VCE lidos logo APÓS retirar os dedos do transistor.Calcule o novo valor de IC:

VRC IC VCE

Esperado Simulado Medido Esperado SimuladoMedido/

CalculadoEsperado Simulado Medido

ANTES (27°C)

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 VR1 VR2 VRC VRE VBE VCE VCC

ESPERADO

SIMULADO

MEDIDO

DESVIO %

27°C

Tr.sem chanfro IB IC hFE

ESPERADO

SIMULADO

CALCULADO

DESVIO %

5.2.6. Monte a tabela abaixo copiando os valores da tabela do item 5.1.6 para as trêsprimeiras colunas da tabela a seguir. Depois, copie os dois valores de IC obtidos em5.2.2 e 5.2.5 (para os dois exemplares de transistores BC547A no circuito IEconstante).

27°C

Circuito IB Constante (ítem 5.1.6) Circuito IE Constante

Resultados experiência Simulado Resultados experiência Simulado

Tr.com chanfroTr.sem chanfro PSPICE Tr.com chanfroTr.sem chanfro PSPICE

IC

∆IC ------ ------

No caso dos valores para o circuito IE constante, os valores de ∆IC simulados sãomaiores ou menores que os medidos? Isto é razoável?

Exp. 3 – Polarização de Transistores Bipolares B–59

Comparando-se os valores para o circuito IB constante com os valores para o circuito IEconstante, o que podemos concluir?

5.3 Levantamento da curva característica do transistor

5.3.1 Familiarize-se com a placa de montagem "CURVA CARACTERÍSTICA DOTRANSISTOR", medindo os valores de RB e RC, não esquecendo de anotar o erroassociado a cada medida. Baseando-se na figura 5 abaixo, instale CUIDADOSAMENTEum 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 desaída no mínimo e desligado). Selecione a forma de onda senoidal (100Hz) no geradorde funções. Ligue o gerador de funções e a fonte de tensão. Certifique-se que a pontade 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 eg=10Vp. Cuidado para não aterrar ogerador eg (neste gerador - e só neste gerador - a sua saída BNC é flutuante emrelação ao terra das bancadas).

Figura 5: Circuito para levantamento da característica de saída (IC x VCE) do transistor.

B–60 Laboratório de Eletrônica I – Exp. 3

5.3.2 Ajuste o valor de VBB de forma a obter a curva característica do transistorcorrespondentes a Ic=2,5mA, para VCE=5,0V. Meça o valor de tensão VBB e o valor detensão sobre o resistor RB. Imprima a curva obtida usnado o osciloscópio no modonormal (sem average). Calcule o valor do ganho de corrente do transistor no ponto deoperação especificado (βF=hFE), com o respectivo erro associado.

5.3.3 Repita o item 5.3.2 para IC=1,0mA e Ic=5,0mA (VCE=5,0V) Imprima as novascurvas.

5.3.4 Reajuste VBB para IC=2,5mA (VCE=5,0V). Envolva o encapsulamento do transistorcom 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 eacompanhe a evolução da curva característica atenciosamente pois a evolução épequena. Anote o que foi observado.

Exp. 3 – Polarização de Transistores Bipolares B–61

5. Questões

6.1 Na cópia da família de curvas IC X VCE do transistor BC547A abaixo sobreponha areta de carga e o ponto quiescente do projeto e duas retas de carga pontilhadas querepresentem as retas de carga extremas (máxima e mínima) considerando-se atolerância associada a RC para a montagem IB constante. Sobreponha também o pontoquiescente 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 umamontagem IB constante, comente o comportamento do ponto quiescente em função datemperatura. Inclua em seu comentário o comportamento observado no item 5.1.4 paraas curvas IC X VCE.

6.3 Sobreponha, por fim, o ponto quiescente obtido no Item 5.1.5. Sendo esta umamontagem IB constante, faça comentários a respeito do comportamento do pontoquiescente em função da dispersão das curvas IC X VCE.

Exp. 3 – Polarização de Transistores Bipolares B–63

6.4 Na cópia da família de curvas IC X VCE do transistor BC547A abaixo sobreponha areta de carga e o ponto quiescente projetados e duas retas de carga pontilhadas querepresentem as retas de carga extremas (máxima e mínima) considerando-se astolerâncias associadas a RC e a RE para a montagem IE constante. Sobreponha tambémo ponto quiescente obtido no item 5.2.2. Comente os resultados obtidos, comparando-oscom 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-seos resultados das montagens IB constante e IE constante, qual das duas mantém oponto quiescente mais estável quando há variações de temperatura?

6.6 Sobreponha, por fim, o ponto quiescente obtido no item 5.2.5. Comparando-se osresultados das montagens IB constante e IE constante, qual das duas mantém o pontoquiescente mais estável quanto a dispersão dos parâmetros do transistor?

6. Conclusões