Escola Politécnica - USP

PSI 2325 Laboratório de Eletrônica IExp 6: Transistores como Chave

Equipe: -

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Turma:

Profs: --

Data de Realização do Experimento: Nota:

Bancada:

2002

B–90 Laboratório de Eletrônica I – Exp. 6

1. Introdução

Estudar o comportamento de transistores operando como chaves e o empregode transistores em circuitos de chaveamento, determinando analiticamente os temposde subida, descida e armazenamento/atraso.

Comprovar analiticamente o comportamento de transistores operando comochave, observando as formas de onda envolvidas e medindo tempos de descida earmazenamento/atraso. No caso de transistores bipolares, verificar o comportamentodesses tempos em função da corrente de base. Analisar o comportamento dessestempos em função da corrente de base. Analisar o comportamento do tempo dearmazenamento quando se empregam capacitores de comutação.

2. Projeto (a ser realizado ANTES da aula experimental)

2.1 Chaveamento do transistor bipolar MJE2955

Figura 1: Circuito de chaveamento do transistor bipolar pnp

Note que precisamos das tensões V2 e V1 (correspondentes a iB2 e iB1) noponto A para chavear o transistor bipolar do corte à saturação e vice-versa. Comomostra a figura 1, implementamos o sinal desejado (no ponto A, isto é, VA) empregandoum gerador de pulsos na entrada do circuito que fornece os níveis VG2 (>0) 0V e VG1

(<0). Este gerador de pulsos será ajustado para um período de 0,5ms e uma largura depulso de 20% do período (25µs). Note que o componente com Z=50Ω nada mais é doque o cabo coaxial com impedância de 50Ω.

Para determinarmos quais tensões V2 e V1 correspondem respectivamente aquais tensões VG2 e VG1 e vice-versa, devemos observar que na entrada do circuitotemos uma malha composta pelo gerador (fonte ideal + resistência série) e pela malhade entrada do circuito (rB + impedância de entrada do transistor). Para sinais CC, o cabocoaxial se comporta como um fio e o transistor bipolar pode ser substituído por um dosmodelos (corte ou saturação) apresentados na Figura 4 do texto teórico (pag. 83).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 V1, V2, iB1 e iB2. Considerar que o transistor bipolara ser empregado é o transistor bipolar de potência MJE2955 (silício) com VBEsat =-0,65V e VCEsat = -0,5V. Para essa determinação, considerar três situações,

Exp. 6 – Transitores como Chave B–91

ilustradas na figura abaixo (substitua o transistor pelo seu modelo equivalente paracada caso):

a.1) A situação de corte, onde o transistor pnp está cortado quando o gerador vG(t)está em VG2 (que define V2 e a corrente de base nula). Desenhe o circuito, com omodelo do transistor, e estabeleça as equações para o circuito.

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a.2) A situação de saturação, onde o transistor pnp está saturado quando o geradorvG(t) está em VG1 (que define V1 e iB1 ).

a.3) A situação que ocorre durante o tempo de armazenamento, quando o transistorpnp ainda está saturado e o gerador vG(t) já chaveou para VG2 (que define iB2 ) (noteque este caso não foi considerado em nossa análise teórica e dá origem a um valor V3- vide próxima figura).

Exp. 6 – Transitores como Chave B–93

b) Considere vG(t) como uma onda retangular de 5,1 V de amplitude pico a pico e comoffset de -1,1 V. Determine VG2 e VG1. quando o gerador está ligado ao circuitoanterior. A seguir, considerando VCC = 10,5V, RC = 22Ω/2W e RB = 27Ω (valoresda placa), esboçar as formas de onda de VA (t), iB(t), iC(t) e vCE(t) sincronizadas notempo, destacando os tempos de subida, descida e armazenamento e determinandoV1, V2, V3, iB1, iB2 e ICsat.

B–94 Laboratório de Eletrônica I – Exp. 6

2.2 Chaveamento do transistor TECMOS de potência MTM8P25

a) Para o circuito de chaveamento do MOSFET, apresentado na figura 2, necessitamosapenas de um degrau negaivo para acionar o MOSFET visto que este não armazenacargas na porta. Assim sendo, precisamos gerar no ponto A um sinal vA(t) comníveis 0V e V2, conforme a figura abaixo. Note que para isso o sinal do gerador vG(t)deve possuir níveis 0V e VG2. Considerando RG = 50Ω, VCC = 10,5V, VG2 = -10V e osvalores de capacitâncias para o TECMOS MTM8P25 fornecidas em manual (anexo),determinar os tempos de subida, descida e atraso (ON e OFF) esperados.Considerar que o transistor a ser empregado é o transistor VDMOS de potênciaMTM8P25 (silício) com Vt = -3,1V e VDS (ON) = -0,5V.

taON

RG

2QP(1)

Vtln

VG

VG Vt

tsRG

2QP(2) QP(1)

VP(2) Vtln

VG Vt

VG VP(2)

taOFF

RG

2QP(2) QP(3)

VP(2) VGln

VG

VP(2)

tdRG

2QP(1) QP(2)

Vt VP(2)ln

VP(2)Vt

Figura 2: Circuito de chaveamento de um transistor MOS canal p de potência

VG taON ts tq taOFF

–7,5V

b) Qual a razão para a inclusão do resistor de 50Ω no circuito acima?

Exp. 6 – Transitores como Chave B–95

3. Procedimento Experimental

3.1 Medidas transistor bipolar operando como chave

a) Anotar na tabela do item 4.1.a) o valor nominal e as tolerâncias dos resistores ecapacitores empregados na placa “O transistor como Chave”.(Não é para medir).

TR BIPOLAR RB RC Cf1 Cf2

Valor Nominal

Precisão

b) Calibrar as duas pontas de prova em x10, CUIDADOSAMENTE, utilizando o sinal depulso fornecido pelo osciloscópio. Este procedimento é muitíssimo importante nesteexperimento! Utilizar o modo de acoplamento CC em todo experimento.

c) Vamos obter os patamares de V1 e V2 esperados de projeto utilizando o geradorde função. Para entrar 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 ovalor do offset que desloca o sinal em torno do zero. Note porém que os valoresV1, V2, iB1, iB2 e ICsat experimentais devem coincidir exatamente com aquelesesperados.

Figura 3: Determinação de ts, tq e tA para o transistor bipolar.

Montar o circuito da figura 4 para determinar os tempos de resposta do transistorbipolar, conectando e ligando VCC. Conectar o gerador de pulsos ao circuitoatravés 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 = –1,1 V. Com o osciloscópio no modo CC, sincronismo externo fornecidopelo gerador, veja o que acontece ao se ajustar offset para 0 V. A seguir retorne ovalor de offset para –1,1 V e imprima as formas de onda da tensão no ponto Asincronizada com a forma de onda da tensão sobre RB (isto é VA-VB) e a seguir aformas de onda da tensão no ponto A sincronizada com a tensão de coletor (VC).Destacar claramente os tempos de subida, descida e armazenamento além de V1,V2, iB1, iB2.

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NOTA 1: Observar que se está medindo iB(t) indiretamente através da tensão sobre RB eiC(t) indiretamente através da tensão de coletor (note que esta última nada mais édo que o complemento da forma de onda de iC(t) ).

NOTA 2: Manter sempre os terras das duas pontas de prova no emissor do transistor(Terra).

NOTA 3: Para medir a tensão sobre RB, medir simultaneamente VA e VB, inverter a formade onda de VB (INVERT) e somar os dois canais (tecla ±, function 1 ON, function 1MENU, ADD). Certifique-se que o estrape do resistor de 50Ω não está ligado.

Atenção: Para obter o sinal desejado (VRB = VA - VB) os dois canais devem ter asmesmas escalas de tensão. Observar se a forma de onda iB(t) obtida correspondea forma de onda da figura do item 2.1 b) anterior.

d) Preencher a tabela abaixo seguindo o procedimento do item anterior. Confira osvalores experimentais obtidos na primeira linha com aqueles calculados

Ger. Func.(Amplitude p-p)

Ger. Func.(Offset)

V1 V2 IB1 IB2 ts tq tA

5,1V -1,10V

7,1V -2,08V

e) Comente o comportamento dos tempos de resposta do transistor no item acimarelacionando-os às grandezas IB1 e IB2.

f) Para a segunda linha da tabela anterior (Amplitude 7,1V. offset = -2,08V), vamosvariar o degrau V2 reajustando o gerador de funções (V1 permanece constante).

Ger. Func.(Amplitude p-p)

Ger. Func.(Offset)

V1 V2 IB2 tq

copiar do item d) → 7,1V -2,08V

b) 6,1V -2,60V

c) 8,1V -1,60V

Exp. 6 – Transitores como Chave B–97

ig) Comente o comportamento dos tempos de resposta do transistor no item acima.Qual o comportamento esperado de ts e tA para estes casos?

IB1 ts tA

caso b)

caso c)

h) Desligue a alimentação VCC apertando a tecla OUTPUT OFF. Vamos agoraobservar a influência do capacitor de comutação. Ajuste o sinal de entrada dogerar para Amplitude 1,6Vpp e offset = –800 mV e ligue VCC = -10,5V. Note quecom isso espera-se que V2 = 0V e V1 = –1V. Medir ts, tq e tA, V1 e V2 e anotar natabela abaixo.

sem capacitor de comutação

Ger. Func.(Amplitude)

Ger. Func.(Offset)

V1 V2 ts tq tA

1,6V -800mV

i) Mantendo-se a montagem do item anterior, ajustar a caixa de capacitâncias para ovalor mínimo e colocá-la entre os pontos A e B, em paralelo com RB, de preferênciacom um par de cabos banana-banana curtos. Verificar a variação na forma deonda da tensão de coletor para valores crescentes do capacitor de comutação,descrevendo o que foi observado no tempo de descida. Ajustar o valor docapacitor para avaliar a carga total (qB) armazenada (para isso, encontrar o menorvalor de capacitância que reduz tA ao seu valor mínimo). Imprimir a forma de ondade tensão obtida no coletor do transistor para o capacitor ajustado. Medir os novosvalores ts, tq, tA, V1 e V2.

com capacitor de comutação C = ______

Ger. Func.(Amplitude)

Ger. Func.(Offset)

V1 V2 ts tq tA

1,6V -800mV

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j) Calcule o valor da carga total armazenada (qB) a partir dos resultados acima.

3.2 Medidas transistor MOSFET operando como chave

a) Colocar a fonte de alimentação em OUTPUT OFF, desligar o gerador de pulsos edesconectar o gerador. Passe a chave 1 da placa para a posição TECMOS e ligueo estrape do resistor de 50Ω. Montar o circuito da figura 5 curto-circuitando ospontos A e B. Reconectar o gerador de pulsos (desligado) através do cabo BNC-BNC, a fonte de +6V (como indicado na figura 5) e a fonte VCC (OUTPUT OFF).

NOTA: A fonte de +6V em série com o gerador de funções tem apenas a finalidade degerar um nível adicional de offset para a forma de onda.

Figura 5: Circuito de chaveamento do transistor TECMOS canal p.

b) Ligar primeiramente a fonte VCC, e a fonte de +6V colocando-as em OUTPUT ON ecertificando-se que a primeira se encontra em 10,5V (note a polaridade, que deveser a mesma do item anterior!) e a segunda em +6,0V. A seguir ligar o gerador(certifique-se que o mesmo se encontra com impedância HIGH Z), ajustá-lo parafreqüência de 300 kHz, duty cycle 50% (onda quadrada), amplitude = 16V, offset =

Exp. 6 – Transitores como Chave B–99

-1,7V. Imprimir sincronizadamente no tempo as formas de onda da tensão nogerador e da tensão de dreno (VD), respectivamente, mantendo sempre os terrasdas duas pontas de prova ligados ao terra do circuito (em F). Destacar claramenteos tempos de subida, descida e os atrasos (ON/OFF). Note que o resistor de 22Ωvai esquentar! Preencher a tabela abaixo.

Ger. Func.(Amplitude)

Ger. Func.(Offset)

Fontede 6V

taON ts tq taOFF

16,0V -1,7V 6,0V

10,7V -3,0V 2,2V

c) Explique o comportamento dos tempos de resposta do transistor.

d) Os valores obtidos estão coerentes com os valores determinados no item 2.2a?

e) Desligar um terrra (Ch1) de uma ponta de prova e comentar o observado noosciloscópio. Qual a razão?

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