escola politÉcnica da universidade de sÃo paulo departamento de engenharia de...

ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

Departamento de Engenharia de Sistemas Eletrônicos

PSI 2307 – Laboratório de Eletrônica

Exp.4 – Polarização de Transistores Bipolares

Turma: ( ) SEG - T1-2 ( ) TER – T3 ( ) SEX – T4-5

Prof(s):

Data da realização do experimento: NOTA:

Bancada no:

Equipe: CÓPIA DO PROFESSOR

1o sem. 2004

Exp. 4 -3 – Polarização de Transistore Bipolares Eletrônica Experimental

1. Objetivos • Estudar a polarização de transistores bipolares em sua região ativa através do projeto e

implementação de circuitos de polarização por IB e IE constantes. Analisar a estabilidade do ponto de polarização em função da dispersão de parâmetros dos componentes e da variação de temperatura;

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

• Tomar contato com o programa "PSPICE STUDENT VERSION" para simulação CC de circuitos eletrônicos e da dispersão dos parâmetros 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 Empregar somente resistores de valor comercial da série E-12 5% (10 12 15 18 22 27

33 39 47 56 68 82) e resistores de 3 kΩ

2.1 Circuito de Polarização por IB Constante 2.1.1 Projetamos um circuito de polarização IB constante onde ICQ=2,5mA e VCC=15V No

manual do transistor a ser empregado, o BC 547A, acha-se que para ICQ=2,5mA : β =193

e VBE = 0,6V. A partir dos valores dos componentes projetados aproximados para os

valores comerciais calculamos VRB, VRC, VBE , VCE , VCC , IB , IC e hFE (a 25°C). Preencha

esses valores CALCULADOS nas tabelas dos itens 4.1.2, 4.1.4 e 4.1.5.

Figura 1: Circuito de polarização IB constante empregando o transistor BC547A.

Eletrônica Experimental Polarização de Transistores Bipolares Exp. 4 -4

Valores comerciais :

RB = 1 ΜΩ

Rc = 3,3 kΩ Porém na placa está 3kΩ

Cálculos com valores comerciais :

Com estes resultados, já resolve a primeira parte da tabela na questão 4.1.2

RC = Vcc - Vceq

Ic

VCEq = VCC

2

RC = 15 - 7,52, 5 x 10 -3 = 3 kΩ

I Bq =

2, 5 x 10-3

β =

2,5 x 10 -3

193 = 1,3 x 10-5 A

RB = Vcc − Vbe

IBq

= 15 - 0,61, 3 x 10-5

≅ 1,1 ΜΩ

VBE ≅ 0, 6 V

I B = 15 - 0, 6

106 = 1, 44 x 10-5 A

I c = β x IB = 193 x 1,44 x 10 -5 ≅ 2,80 mA

VCE = 15 - 3 x 103 x 2, 8 x 10 -3 ≅ 6, 60 V

VRB = 14, 40 V VRC = 8,40 V hFE = β = Ic

Ib

= 193


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.

Considerando as variações típicas dos valores dos componentes fornecidos:

Preencha parte da tabela 4.1.4.

∆ICB = 5 nA

∆VBE = 80 x 10-3( ) 2 + 10x −2,5x10−3( )2( )[ ]12

= 8,38x 10-2 V

∆βF = 193 x 0,25( )2+ 193 x 10 x 0, 0067( )2[ ]12

= 49,95

∆RB = 1,1 x 10 6 x 0, 05( )2 + ( 10 x 1,1 x 10 6 x - 3 x 10 -4) [ ]

12 ≅ 55,1 kΩ

⇒ ∆Ic ≅ ± 0,8 mA

∆ IC = δ IC

δ I CB0

. ∆ICBo +δIc

δVBE

.∆VBE +δ I C

δβF

.∆BF +δIC

δ RB

.∆RB

δ I C

δ ICB0

= βF + 1 ≅194

δ I C

δ ICB0

=−βF

RE

=−194

1,1 x 10 6 ≅ −1,76 x 10-4

δ IC

δ βF

=Vcc − VBE

RB

+ IcB0≅ 1,31 x 10 -5 A

δ IC

δ RB

= (Vcc − VBσ )RR

2.β = 2, 29 x 10-9 A / Ω


2.2 Circuito de Polarização por IE Constante 2.2.1 Projetamos 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, calculamos VR1 , VR2 ,

VRC , VRE , VBE , VCE , VCC , IB , IC e hFE (todos a 25°C) e preencha esses valores

CALCULADOS para as grandezas das tabelas dos itens 4.2.2 e 4.2.4.

Adote RB=25kΩ , RC = 4RE ; para ICQ = 2,5 mA : β = 193 e VBE = 0,6V.

Figura 2: Circuito de polarização IE constante empregando o transistor BC547A.

Vcc − VCE q= R c + RB( ) . Ic 20 -10 = 5RE x IE

RE = 800Ω

VCE q=

VCC

2 RC = 3200Ω

β = 193 ⇒ Ic = I E

VBB = RB x IB + VBE + RE x IE

⇒ R1 ≅ 170 kΩ

RB = R2 x R1

R1 + R2

VBB = R2

R2 + R1

x VCC

R1 x R 2

R1 + R2

= 25 x 103 ⇒ R2 ≅ 30 kΩ


Valores Comerciais :

R1 = 180KΩ, R2 = 33KΩ, Rc = 3,3KΩ, RE = 820Ω

Recálculo :

Com estes resultados, já resolva a primeira parte da questão 4.2.2 (preencha a tabela).

RB = 180 x 33 x 10 6

180 x 103 + 33 x 103≅ 27, 9kΩ

VBB = R2

R1 + R2

x VCC =33x10 3

180 x 103 + 33 x 10 3 x 20 ≅ 3,1 V

I B = VBB − VBE − β. IB

RB

= 3,1 - 0,6 - 820x193 I B

27,9 x 103 = 1,3 x 10 -5 A

I C = β x I B ≅ 2,6mA

VCE = 20 − (3,3 x 103 + 820 ) 2,6 x 10-3 = 9,3V

VRC = 2,6 x 10-3 x 3, 3 x 103 ≅ 8,6 V

VRE = 820 x 2,6 x 10 -3 ≅ 2,1 V

Desprezando I B :

VR2 ≡ 20 x 33 x 10 3

33 x 103 + 180 x 103 ≅ 3V

VR1 ≅ 17V

h FE = Ic

IB

≅ 200


2.2.2 Calculamos o erro ∆IC total associado ao valor de IC para a montagem IE constante empregando as expressões (36)-(46) para ∆T=10ºC.

δ IC

δ ICB0

=βF + 1( ) 1 +

RB

RE

1 + β f +RB

RE

= 27,10

δ IC

δVBE

= -βF

RB + βF + 1( ).RE

≅ 1, 05 x 10-3 A /V

δ IC

δ βF

= IC

βF2 . 1 + RB

RE

≅ 2,1 x 10 -6 A

δ I C

δ RB

=

RE .ICB 0.βF

βF + 1( ) -

VBB − VBE( )βF + 1( )2 .βF

RB

βF + 1 + RE

2 =1,36 x 10-8 A / Ω

δ I C

δ RE

=

RB .ICB0 .βF

βF + 1( ) - VBB − VBE( )

βF + 1( ) .β F

RB

βF + 1 + RE

2 = 2,7 x 10 -2 A / Ω

∆RB = 25 x 10 3 x 0, 05( )2+ 10 x 25 x 10λ

3 - 3 x 10 -4( )2 [ ]12

= 1252Ω

∆RE = 820 x 0,05( )2+ 10 x 820 - 3 x 10 -4( )2

[ ]1

2= 41Ω

∴ ∆IC ≅ 0,22 mA


3. Simulação 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 de polarização para a montagem IE constante a 27°C. Utilize os valores de resistores comerciais determinados no item 2.2.1. Obtenha os valores para VRB , VRC , VBE , VCE, VCC , IB , IC e hFE (todos a 27°C) e preencha esses valores SIMULADOS nas tabelas dos itens 4.2.2, 4.2.4 e 4.2.6. Inclua no relatório a listagem de saída (menu Analysis/Examine Output do Schematics Editor) com o 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 o valor de IC quiescente e o seu erro máximo associado (a 27°C) para os mesmos casos do item 3.1. Para isso, empregue a ANÁLISE MONTE CARLO, pois ela considera a dispersão dos parâmetros dos componentes durante a simulação. Avalie a importância das dispersões de parâmetros no projeto de um circuito eletrônico. Inclua no relatório as partes importantes da listagem de saída com o nome de todos os integrantes da equipe (interprete a listagem!). Preencha os dados relevantes da tabela do item 4.2.6. OBS.: Para essas simulações, empregue os seguintes componentes: todos os resistores devem ser do tipo “com tolerância”. Para isso clique 2 vezes sobre cada 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 Carlo MC Runs: 200 Analysis Type: DC Output Variable: IC(Q1) - (Lembre-se de chamar o transistor por "Q1", com clique duplo após inseri-lo no diagrama) Function: YMAX Em MC Options, selecione a caixa de verificação "List"

Swept variable type: Voltage Source Name: V1 (Lembre-se de chamar a fonte de alimentação de "V1", com clique duplo após inserí-la no diagrama) Sweep type: Linear Start Value: 15/20 (conforme o caso) End Value: 15/20 (conforme o caso) Increment: 1

• Nas impressões solicitadas (listagens) basta apenas apresentar o schematics netlist (com o nome dos alunos) e os dados calculados para o transistor (bipolar junction transistors, que está quase ao final da listagem "output").


4. Procedimento Experimental 4.1 Circuito de polarização com IB constante 4.1.1 Familiarize-se com a placa de montagem "POLARIZAÇÃO COM IB CONSTANTE", anotando os valores nominais e tolerâncias de RB e RC. Certifique-se que os valores de 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 =

4.1.2 Verifique se o ponto quiescente satisfaz as condições de projeto, medindo os valores de VRB, VRc, VBE, VCE e VCC com o multímetro. Calcule os valores de IB, IC e do ganho de corrente do transistor no ponto de operação experimental (βF=hFE).

27°C VRB VRC VBE VCE VCC

CALCULADO

MEDIDO

DESVIO %

27°C IB IC hFE

CALCULADO

DA MEDIDA

DESVIO %


4.1.3 Utilizando o multímetro, meça novamente o valor de VCE, só que desta vez deixe uma ponta de prova acoplada a VBE (osciloscópio no modo CC). Anote cuidadosamente o valor de tensão de VCE lido com o multímetro quando a ponta de prova 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? Explique. 4.1.4 Instale o multímetro apropriadamente para medir a tensão sobre RC, anotando o seu valor. Envolva o encapsulamento do transistor com os dedos (sem tocar quaisquer terminais) 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 Medido Esperado Medido/ Calculado

Esperado Medido

ANTES (27°C)

DEPOIS (37°C) ----- -----

VARIAÇÃO % ----- ----- Comparando-se com os valores calculados e medidos, o que podemos concluir?


4.1.5 Compare seus dados (MEDIDA 1) com os dados dos seus colegas da bancada com 1 número maior que a sua (bancada 10 pegue os da bancada 1) (MEDIDA 2)

VRB VRC VBE VCE VCC

MEDIDA 1

MEDIDA 2

DESVIO %

IB IC hFE

DA MEDIDA 1

DA MEDIDA 2

DESVIO %

4.2 Circuito de polarização com IE constante 4.2.1 Familiarize-se com a placa de montagem "POLARIZAÇÃO COM IE CONSTANTE" , anotando os valores nominais e tolerâncias de R1, R2, RE e RC. Certifique-se que os valores de resistores empregados assemelham-se aos valores projetados no item 2.2.1. Comente qualquer discrepância.

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

R1 = R2 = RE = RC =


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

27°C VR1 VR2 VRC VRE VBE VCE VCC

CALCULADO

SIMULADO

MEDIDO

DESVIO %

27°C

IB IC hFE

CALCULADO

SIMULADO

DA MEDIDA

DESVIO %

4.2.3 Utilizando o multímetro, meça novamente o valor de VCE, só que desta vez deixe uma ponta de prova acoplada a VBE (osciloscópio no modo CC). Anote cuidadosamente o valor de tensão de VCE lido com o multímetro quando a ponta de prova 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 mesma diferença medida no item 4.1.3? Qual a razão?


4.2.4 Instale o multímetro apropriadamente para medir a tensão sobre RC, anotando o seu valor (anote também o valor de VCE). Envolva o encapsulamento do transistor com os dedos (sem tocar em seus terminais) durante um minuto, acompanhando a evolução de VRC. 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 Simulado Medido/ Calculado

Esperado Simulado Medido

ANTES (27°C)

DEPOIS (37°C) ----- ------ ------- ----- -------

VARIAÇÃO % ----- ------ -------- ----- -------

Comparando-se com os valores calculados e medidos, o que podemos concluir? Comparando-se com os valores do item 4.1.4, o que podemos concluir? 4.2.5 Compare seus dados (MEDIDA 1) com os dados dos seus colegas da bancada com 1 número maior que a sua (bancada 10 pegue os da bancada 1) (MEDIDA 2)

VRB VRC VBE VCE VCC

MEDIDA 1

MEDIDA 2

DESVIO %

IB IC hFE

DA MEDIDA 1

DA MEDIDA 2

DESVIO %


4.2.6. Monte a tabela abaixo usando os valores da tabela do item 4.1.5 para as primeiras três colunas da tabela a seguir. Depois, copie os dois valores de IC obtidos em 4.2.2 e 4.2.5 (para os dois exemplares de transistores BC547A no circuito IE constante).

Circuito IB Constante (ítem 4.1.5) Circuito IE Constante

Resultados experiência Simulado Resultados experiência Simulado

MEDIDA1 MEDIDA 2 PSPICE MEDIDA1 MEDIDA 2 PSPICE

IC ------

∆IC -------

No caso dos valores para o circuito IE constante, os valores de ∆IC simulados são maiores ou menores que os medidos? Isto é razoável? Comparando-se os valores de ∆IC e β para o circuito IB constante com os valores para o circuito IE constante, o que podemos concluir?


5. Questões 5.1 Na cópia da família de curvas IC X VCE do transistor BC547A abaixo sobreponha a reta de carga e o ponto quiescente do projeto e duas retas de carga pontilhadas que representem as retas de carga extremas (máxima e mínima) considerando-se a tolerância associada a RC para a montagem IB constante. Sobreponha também o ponto quiescente obtido no Item 4.1.2. Comente os resultados obtidos.


5.2 Sobreponha também o novo ponto quiescente obtido no Item 4.1.4. Sendo esta uma montagem IB constante, comente o comportamento do ponto quiescente em função da temperatura. Inclua em seu comentário o comportamento observado no item 4.1.4 para as curvas IC X VCE. 5.3 Sobreponha, por fim, o segundo ponto quiescente obtido no Item 4.1.5. Sendo esta uma montagem IB constante, faça comentários a respeito do comportamento do ponto quiescente em função da dispersão das curvas IC X VCE.


5.4 Na cópia da família de curvas IC X VCE do transistor BC547A abaixo sobreponha a reta de carga e o ponto quiescente projetados e duas retas de carga pontilhadas que representem as retas de carga extremas (máxima e mínima) considerando-se as tolerâncias associadas a RC e a RE para a montagem IE constante. Sobreponha também o ponto quiescente obtido no item 4.2.2. Comente os resultados obtidos, comparando-os com os resultados do Item 5.1 acima.


5.5 Sobreponha também o novo ponto quiescente obtido no item 4.2.4. Comparando-se os resultados das montagens IB constante e IE constante, qual das duas mantém o ponto quiescente mais estável quando há variações de temperatura? 5.6 Sobreponha, por fim, o segundo ponto quiescente obtido no item 4.2.5. Comparando-se os resultados das montagens IB constante e IE constante, qual das duas mantém o ponto quiescente mais estável quanto a dispersão dos parâmetros do transistor?


6. Conclusões

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