Transístores no Laboratório

INSTITUTO SUPERIOR DE CIÊNCIAS
DO TRABALHO E DA EMPRESA
Guia do 3º Laboratório
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TRANSÍSTOR DE JUNÇÃO BIPOLAR
Objectivos e regras de funcionamento:
Com este trabalho pretende-se que o aluno consolide os conhecimentos teóricos
adquiridos relativos ao funcionamento e às principais montagens do transístor de
junção bipolar (TJB).
O trabalho pressupõe a leitura prévia deste enunciado. A simulação e a subsequente
obtenção e interpretação de resultados têm lugar no laboratório, acompanhadas pelo
docente para esclarecimento das dúvidas.
TRANSÍSTOR DE JUNÇÃO BIPOLAR
o Análise do comportamento eléctrico do TJB em regime estacionário.
o Esboço da influência da temperatura nas características eléctricas do dispositivo.
o Estudo das montagens básicas em que o TJB é usado como amplificador.
Montagem de emissor comum
Montagem de colector comum
Montagem de base comum
Formulário
(Zona Activa)
  F 
IC
IB
IC  IS  e
F 
(Zona Activa Inversa)
F
1F
R
R 
1R
R 
V BE
IE
IB
VT
 F 
F
1 F
R
 R 
1 R
Conversão de Graus em Kelvin
K  273.15  Cº
VT 
kT
q
T  300 K
 25mV
Convenções
1. Grandeza em Maiúsculas – Índice em minúsculas
Componente DC ou seja, o ponto de funcionamento em repouso (PFR),
exemplo: Ic, Ib, Vo
2. Grandeza em minúsculas – Índice em minúsculas
Pequenos sinais normalmente correspondendo à componente AC, exemplo:
ic(t), ib(t), vo(t), vi(t)
3. Grandeza em minúsculas – Índice em Maiúsculas
Soma do PFR com o pequeno sinal, exemplo:
iC(t), iB(t), vI(t)
Temos então que:
iC(t)=Ic+ic(t);
iB(t)=Ib+ib(t);
vO(t)=Vo+vo(t), etc
Software

Electronics workbench, Multisim
Transístores no Laboratório
C547PN93 – beta 640
BD135 – npn 1C 2B 3E
BC550C - npn transístor beta=440 para
ic até cerca de 5mA
BD138 – pnp 1-B 2-C -E
2N7000 Motorola –MOSFET canal N de
reforço – KW/L = 100mA/V Vt=2V
(Vgs=4V Id=0.2A)
Simulação em Multisim

Em “Ouptut Variables” para obter os valores de corrente Ic ou Ie ou Ib nos
transístores ou o valor de corrente nas resistências pode utilizar as opções:
More Options; Add device/model parameters. Não confunda ic com icvbe,
etc…. Para obter a corrente num dado ponto pode adicionar-se uma resistência
de impedância nula nesse troço e representar a corrente nessa resistência.

Pode usar a análise DC sweep para traçar as características eléctricas do TJB.

A análise parameter sweep permite efectuar uma análise DC sweep no caso
em que se varia as amplitudes de fontes do circuito, mas é mais flexível,
nomeadamente permite variações segundo uma escala logarítmica, e variar
outros parâmetros.

Sempre que necessário deve alterar as escalas ou a gama de valores
observados nos resultados das simulações de forma que sejam visíveis os
fenómenos pretendidos, de acordo com a matéria leccionada nas aulas
teóricas.
Parâmetros e dimensionamento (n = #grupo - cuidado não contar com o turno!)
O transístor a utilizar é o n-ésimo da lista do Multisim
O valor da resistência R é dado por 10k  nº k .
Estes valores devem ser rigorosamente respeitados com excepção do
Transístor. Para este não é fundamental que seja escolhido exactamente
o transístor indicado.
Procedimento
Sugestão: Comece por abrir um documento de Word e vá colocando os
resultados que for obtendo, fazendo copy past dos gráficos directamente para o
Word. Assim adianta trabalho para o relatório. Pode guardar os resultados na
sua área de trabalho de FE, e depois passar para a área no ISCTE, para que lhes
possa aceder fora do período de aulas. Para colocar as figuras do Osciloscópio
faça Alt->Print Screen para copiar o conteúdo de uma janela.
I - Análise do comportamento eléctrico do TJB em regime estacionário
XMM1
R
Vc
10V
Vo
Q1
Ib
1uA
Figura 1. Extracção das características do TJB
a partir da montagem de emissor comum.
Nota: Muitas das curvas obtidas na primeira parte do laboratório estão representadas
nos acetatos da cadeira. Será aconselhável que consultem estes à medida que vão
realizando o laboratório.
Monte o esquema do circuito anterior.
1. Trace a característica de variação de Vo com a corrente na base Ib. Para tal utilize
o comando DC Sweep do Multisim de forma a variar a corrente fornecida pela
fonte de corrente Ib. Para R utilize o valor definido em parâmetros de
dimensionamento, que varia de grupo para grupo. Para poder escolher livremente o
valor da resistência deve utilizar uma resistência virtual (a verde do lado direito da
barra de componentes do MultiSim). Escolha o valor inicial e final da corrente de
forma a evidenciar as diferentes zonas de funcionamento do transístor (zona activa
e zona de saturação), e o incremento de forma a conseguir mais de 30 pontos na
característica. Além disso construa uma tabela com quatro valores da corrente na
base e os correspondentes valores da tensão Vo. Para medir estes valores utilize os
cursores dos gráficos do MultiSim que se activam pressionando um botão no topo
do gráfico.
2. Trace a curva característica Ic de Vce com Ib constante, para diferentes valores de
Ib. Para tal coloque a zero a valor da resistência R donde resulta que Vce será igual
a Vc e varie este ultimo. Utilize mais uma vez o comando DC Sweep. Para variar o
valor de Vce deve colocar esta como primeira fonte. Para fazer o gráfico para
diferentes valores de Ib coloque esta como segunda fonte. Varie Vce entre 0 e 1V e
Ib entre 0 e 10A. Para medir o valor de Ic, meça o valor da corrente que percorre
a
resistência
R1,
para
tal
faça
em
Ouput
Variables,
“More
Options”AddDevice/Model Parameter”, “Device Type” = Resister, “Parameter”
= i (current). Tal resulta em adicionar à lista de variáveis no circuito, @rri[i] que
deve ser utilizado como “Output Variable”. Faça dois gráficos, um para Vce
positivo e um para Vce negativo, e comente as diferenças observadas. Indique as
diferentes zonas de funcionamento do BJT.
3. Represente graficamente  em função de IC. Para tal deve utilizar a opção
parameter Sweep para obter um conjunto de valores de Ic e Ib, e calcule
  Ic / Ib utilizando outro programa de cálculo (pode exportar para o Excel
utilizando um botão na janela de gráficos do MultiSim). Na caixa de dialogo da
opção parameter Sweep escolha como device a fonte de corrente, e como
parâmetro o seu valor DC. No tipo de variação escolha, decade, e comece por
variar a corrente entre 0.1A e 10A, com dez pontos. Pressione o botão More e em
“Analysis to Sweep” escolha “DC operation point” (tal corresponde a uma análise
DC). Faça então o gráfico de XY utilizando uma escala logarítmica para a corrente,
permitindo assim observar uma gama elevada de valores. Ajuste a gama de
variação da corrente para que o máximo do  fique bem visível e repita o gráfico.
4. Calcule os valores de  para Ic=0.1 mA, utilizando o valor aproximado para
retirado do gráfico da alínea anterior.
5. Utiliza a característica Ic(Vce) para determinar graficamente o valor da tensão de
Early. Para tal pode, por exemplo, traçar uma linha por cima do gráfico no Word:
active a barra de desenho, click no botão de linha, caso seja criado um novo
desenho, faça undo, e por fim trace as linhas.
Esboço da influência da temperatura nas características eléctricas do dispositivo
6. Represente e comente o impacto da variação da temperatura no valor da corrente
Ic. Para tal coloque a fonte de corrente em cerca de 1A e faça uma Temperature
Sweep Analyses, com uma variação linear de 0 a 100ºC com 10 pontos.
II - Análise do transístor de junção bipolar quando utilizado como amplificador
Montagem de emissor comum
Rc
Rp
Vcc
Rb
Vo
C1
Q2
9V
100ohm
0.1uF
vi
Re
0ohm
1mV 1000Hz 0Deg
Figura 2. Montagem de emissor comum.
Monte o esquema do circuito anterior.
1. No circuito representado a fonte de tensão Vcc fornece a energia para o
funcionamento do circuito. A fonte de tensão, vi representa um sinal de entrada no
circuito com uma amplitude de 1mV e uma frequência de 1Khz. Assuma Re = 0.
Determine o valor de Rp e de Rc de tal forma o circuito funcione na zona activa
directa com Ic=100A e o ganho de tensão do circuito para pequenos sinais seja de
80 vezes. Utilize o valor de F obtido na alínea I.3, com Ic=100A.
2. Determine o ponto de funcionamento em repouso através da opção “DC Operating
Point” e compare com os valores previstos teoricamente (Ic, Ib e Vo).
3. Faça uma análise no tempo do circuito (Comando Analises – Transient, com
“automatic determine input conditions”) para determinar o valor do ganho de
tensão. Esta é semelhante a observar os resultados de uma simulação no
osciloscópio. Deve observar o sinal na saída, e comparar a amplitude deste com a
amplitude do sinal de entrada. Comente os resultados e compare o valor do ganho
de tensão com o previsto teoricamente. Altere a amplitude da fonte de sinal para
10mV e para 100mV e repita a análise no tempo. Comente os resultados obtidos
(como variou o ganho?).
4. Obtenha e represente os ganhos de tensão para pequenos sinais utilizando a opção
AC Analysis do Multisim. Para tal certifique-se que a opção “use in AC analysis”
está activada na tab “Analysis Setup” da fonte de entrada, e que esta tem uma
amplitude de um. Varie a frequência desde 100Hz a 1GHz. Comente os resultados.
Agora obtenha os valores dos ganhos de corrente. Para medir o ganho de corrente
pode substituir a fonte de tensão por uma fonte de corrente.
5. Altere o valor de RP (e apenas o valor de Rp) de forma a alterar o ponto de
funcionamento em repouso duplicando aproximadamente a corrente de polarização
do colector. Comente o efeito observado no ganho incremental de tensão e no
ponto de funcionamento em repouso.
Montagem de colector comum
Rp
Vcc
Rb
C1
9V
Q2
1kohm
0.1uF
vi
Vo
100ohm
Re
Rl
100ohm
1V 1000Hz 0Deg
XSC1
G
A
B
T
Figura 3. Montagem de colector comum.
Construa o circuito apresentado.
1. Escolha o valor de Rp de forma que no ponto de funcionamento em repouso a
tensão na saída Vo seja aproximadamente 5V.
2. Determine o ponto de funcionamento em repouso através da opção “DC Operating
Point” e compare com os valores previstos teoricamente.
3. Faça uma análise no tempo. Comente os resultados e compare o valor do ganho de
tensão e de corrente com o previsto teoricamente.
4. Represente os ganhos incrementais de corrente |ic/ib(f)| e de tensão |vo/vi(f)| entre a
entrada e a saída do circuito, utilizando a opção AC analysis do Multisim. Varie a
frequência entre 100Hz e 10GHz. Compare-os com os resultados obtidos na
montagem de emissor comum.
Verificações experimental
Os transístor fornecidos no laboratório (C547PN93) têm um ganho de corrente,  , de
aproximadamente de 640. As resistência indicadas foram calculadas para este valor de
 . Estes devem ser montados utilizando o esquema,
3-C
2-B
1-E
Monte na breadbord o circuito referente à montagem emissor comum, removendo a
resistência Rb, tal como representado em baixo.
Utilize como fonte de tensão a fonte disponível no laboratório ajustada para uma
tensão de saída de 9V.
No circuito apresentado no PFR, Vo vale 7.25V.
Pergunta: Qual será o valor de Vo no PFR para Rc=8.2kohm? Qual é o valor de Ic?
Qual seria o efeito de adicionar uma resistência no emissor?
XSC1
3.3kohm
10Mohm
Rp
Rc
G
Vo
A
C1
Vcc
B
T
Q1
0.1uF
9V
vi
10mV 1000Hz 0Deg
1. Meça o valor do ganho de tensão, (vo/vi) para uma frequência de entrada de 1kHz
e uma amplitude de 10mV (o que é equivalente a 20mV pico a pico).
2. Determine o valor máximo da tensão de entrada que evita a saturação da saída. Vai
verificar que, a partir de certo ponto, à medida que aumenta a tensão da entrada, a
deformação da sinusóide vai aumentando, indique o valor da entrada para o qual a
saída chega pela primeira vez ao valor da tensão da fonte (onde satura). Não se
pretende um valor muito exacto.
3. Meça o valor do ganho de tensão para uma frequência de entrada de 100Hz, 1kHz,
100kHz e 1MHz.
4. Coloque na saída uma resistência de 100 para a massa. Determine novamente o
ganho de tensão para uma frequência de 1kHz.
5. Monte na breadbord o circuito referente à montagem colector comum, tal como
representado na figura em baixo. Não desmonte o circuito anterior. Ajuste o
gerador de sinais para que este gere uma tensão contínua de 7.25V (utilizando para
tal o botão de offset do gerador) mais um sinal com 1V de amplitude.
Pergunta: Se ligar este circuito (colector comum) a uma coluna com uma impedância
de 8 (o que é normal para uma coluna) tal resulta que para um sinal com uma
amplitude de 4V a corrente de saída terá uma amplitude de 0.5 A e a corrente na base
será de 0.8mA. Se o circuito for ligado à saída do circuito emissor comum anterior,
ele perturbará o funcionamento do primeiro?
Pergunta: Suponha que uma bateria alcalina (4euros!) consegue fornecer 1W durante
uma hora (Vo > 7 V), o que corresponde aproximadamente a uma capacidade de cerca
de 100mAh (consegue fornecer 100mA durante uma hora). Se o circuito apresentado
for ligado a uma entrada de coluna (8 de impedância), com um condensador de
desacoplamento na entrada, quanto tempo deve durar a pilha?
vi
Q1
Vcc
9V
V1
Vo
7.25V 1V 100Hz 0Deg
Re
100ohm
6. Meça o valor do ganho de tensão para frequência de 100Hz, 10kHz, 100kHz e
1MHz.
7. Ligue a saída do circuito emissor comum à entrada do circuito colector comum, tal
como representado em baixo. Meça o ganho de tensão do circuito para um sinal de
entrada de 1kHz.
10Mohm
3.3kohm
Rp
C1
Vcc
Rc
Q2
Q1
Vo
0.1uF
9V
R1
vi
100ohm
10mV 1000Hz 0Deg
8. Coloque na saída uma resistência de 100 para a massa (fica em paralelo com a
resistência já existente). Meça o valor do ganho de tensão do circuito para uma
frequência de 1kHz.
9. Ligue a saída do circuito a uma das colunas não amplificadas disponíveis no
laboratório e verifique o resultado. Volte a ligar o circuito mas agora sem a
montagem colectora comum.
Notas

As aulas de laboratório devem ser previamente preparadas.

O enunciado de cada trabalho será disponibilizado anteriormente à realização
da aula de laboratório. Estão disponíveis datasheets de alguns componentes
utilizados na página http:/iscte.pt/labeti
Elementos a incluir no relatório:
· Uma pequena introdução.
· Os valores das resistências utilizadas e os dimensionamentos teórico devem
anteceder os resultados das simulações.
· Descrição pormenorizada do procedimento experimental e de simulação.
· Todos os valores medidos, correspondentes a resultados de simulação, valores
esperados analiticamente ou resultados reais.
· Todos os gráficos requeridos no enunciado correspondentes aos resultados de
simulação ou outros.
· Comentários sempre que os resultados de simulação não coincidam com os valores
esperados analiticamente ou observados durante a demonstração experimental.
· Lista das escolhas/decisões tomadas no decurso do trabalho.
· Opções de implementação e demonstração de resultados utilizados.
· Conclusões