Universidade do Algarve, Faculdade de Ciências e

Universidade do Algarve, FCT, Henrique Leonel Gomes.
https://www.ualg.pt/moodle2007/login/index.php
Universidade do Algarve, Faculdade de Ciências e Tecnologia.
Departamento de Engenharia Electrónica e Informática
Nome:
Ano lectivo 2007/2008
Guias de laboratório, Electrónica I
1
Universidade do Algarve, FCT, Henrique Leonel Gomes.
Introdução à electrónica
Fotodetectores
O díodo de junção pn
LEDs
Semicondutores
Dopagem
Portadores de carga
Transporte de cargas
Regiões de depleção
Correntes de difusão e
deriva
Recombinação
Aplicações com díodos,
rectificadores e limitadores
Transístores
bipolares
Circuitos de polarização
Configurações de amplificação
Sistemas em cascata
Transístores de
efeito de campo
Projectos de circuitos
amplificadores com FETs
Circuitos digitais
Amplificadores
integrados
Aplicações do amp-ops Somador
de tensões
Buffer de tensão
Fontes controladas
Circuitos para a instrumentação
Figura 1. Diagrama esquemático dos tópicos abordados na disciplina.
Guias de laboratório, Electrónica I
2
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Regras do caderno do Engenheiro
O caderno de laboratório obedece a um conjunto de normas estritas
que se enunciam a seguir:
1- Todas as idéias ou pensamentos acerca do projecto devem ser
incluídos no caderno, não é apenas um livro onde o aluno toma nota dos
seus resultados e procedimentos, mas também é um “caderno de idéias”
onde se deve escrever tudo mesmo que aparentemente não venha a ter
qualquer utilidade.
2- Sobre o aspecto físico, o caderno de laboratório é por norma um
caderno de folhas difíceis de remover, com páginas numeradas. Deve
conter algumas folhas livres no ínicio para permitir a construção de um
índice, todas as notas devem ser tomadas a tinta e nunca a lápis. À medida
que o caderno é usado cada página deve ser datada.
3- Não é permitido arrancar folhas, rasurar frases de forma a tornalas inteligíveis. Se o aluno cometeu um erro deve colocar uma cruz ou um
círculo sobre os comentários ou cálculos errados e escreve uma observação
sobre o assunto.
4- Apesar de poder ser encarado como uma forma relaxada de
escrever relatórios, o caderno deve estar limpo e organizado, mas nunca se
deve em nome da organização e limpeza, cair na tentação de escrever
rascunhos em folhas soltas que depois são passados a limpo para o caderno
do engenheiro. O caderno do engenheiro deve ter sempre dados originais.
5- Sugere-se que o aluno use principalmente apenas as páginas à
direita, e deixe as páginas à esquerda para fazer gráficos, e escrever
comentários ou idéias mais para si próprio. Folhas de especificações do
material usadas, fotocópias de artigos interessantes podem ser agarfados ao
caderno do engenheiro.
Como ler o código de cores das resistências
A useful mnemonic for remembering the first ten color codes
is
Guias de laboratório, Electrónica I
"Better Be Right Or Your Great Big Venture Goes West",
3
where the first letter matches the first letter of the color code,
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Cor
Preto
Castanho
Vermelho
Laranja
Amarelo
Verde
Azul
Violeta
Cinzento
Branco
Dourado
Pratar
Sem cor
1º
Banda
2º
Banda
3º Banda
1º
digito
2º
digito
Multiplicador
1
2
3
4
5
6
7
8
9
-
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
-
x 1 = 100
x 10 = 101
x 100 = 102
x 1000 = 103
x 10000 = 104
x 100000 = 105
x 1000000 = 106
x 10000000 = 107
-
Guias de laboratório, Electrónica I
4º banda
5º banda
Tolerância
(%)
Taxa de
falhas
(% por
1000 hrs)
1.0
0.1
0.01
0.001
±5
± 10
± 20
-
4
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O código BS 1852
A letra R é usada para Ohms e K para kilo Ohms M para mega Ohms e é
colocada onde devia estar a vírgula. A letra no fim representa a tolerância, onde
M=20%, K=10%, J=5%, G=2%, and F=1%
Exemplos do código BS 1852
R33
0.33 ohms
2R2
2.2 ohms
470R
470 Ohms
1K2
1.2K ohms
22K
22K ohms
22K2
22.2K ohms
4M7
4.7M ohms
5K6G
5.6K ohms 2%
33KK
33k Ohms 10%
47K3F
47.3 K Ohms 1%
As resitências existem em valores “standart” por exemplo 1k, 2.2 k, 4.7k.
Datas dos testes da disciplina no ano lectivo de 2007
1º Teste : 10 de Abril, 16:00 H
2º Teste: 29 de Maio, 16:00 H
Guias de laboratório, Electrónica I
5
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As placas de prototipagem
Vista superior de um placa de prototipagem, a região central é usada
para instalar componentes e as linhas a azul e vemelho são usadas para
alimentação.
Vista da parte inferior representado como são feitas as ligações.
Instalação de alguns componentes na placa de prototipagem.
Guias de laboratório, Electrónica I
6
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Lab. 1
Electrónica I, ano lectivo 2005/2006
Engenharia de Sistemas e Informática
Engenharia Física Tecnológica
Caracterização de um díodo de junção pn
Material
Díodo de silício 1N914 ou equivalente
Fotodíodo
Resistências: 1KΩ, 100 Ω, e 10 Ω
Introdução
O díodo é um dispositivo de dois terminais, que é constituído por uma junção entre
dois tipos de semicondutores, um do tipo p e outro do tipo n. Neste laboratório vamos
concentramo-nos nas características externas (corrente-tensão) do díodo e em algumas
das suas aplicações práticas.
O símbolo de um díodo está representado na Figura 1. Num díodo o terminal
marcado com um traço ou por um ponto é chamado de cátodo, e está geralmente bem
assinalado num díodo real. (Ver figura 1). O outro terminal é chamado de ânodo. A
terminologia é remanescente da notação do tubo de vácuo. O ânodo refere-se ao
potencial mais alto ou positivo, e o cátodo refere-se ao terminal de potencial mais baixo
ou negativo.
Material
Tipo p
Designação
Ânodo
Tipo n
Cátodo
Símbolo
Encapsulamento típico
Figura 1 – Símbolo de um díodo, designações e relação com a estrutura física.
A análise do comportamento eléctrico estático dos díodos de junção pn, feita nas
aulas teóricas pode ser sintetizada pela equação 1.
I D = I s (e qVD / nKT − 1)
Guias de laboratório, Electrónica I
(1)
7
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Onde K é a constante de Boltzmann, T a temperatura absoluta e q a carga do electrão,
VD a tensão aos terminais do díodo, e n o factor de idealidade. IS é designada por
corrente de saturação, e é a corrente máxima com polarização inversa.
Dado que normalmente no laboratório trabalhamos a uma temperatura fixa
de T≈20ºC (293 K), podemos definir uma nova quantidade chamada tensão térmica, VT.
VT =
kT
q
Podemos então escrever a Equação 1 na seguinte forma;
I D = I s (eVD / nVT − 1)
(2)
A Figura 2 representa a curva característica de um díodo.
Figura 2. Notação
e características
corrente-tensão (I-V) de um díodo (note que a corrente inversa está exagerada pela
mudança de escala).
Um díodo de junção permite o fluxo de uma grande corrente no sentido directo, mas
conduz apenas uma pequeníssima corrente em sentido inverso. Enquanto a corrente
directa pode situar-se na faixa das dezenas ou mesmo centenas de miliampères, a
corrente inversa encontra-se usualmente na faixa dos nanoampères, ou seja, cerca de
seis ordens de grandeza menor.
Quando o díodo está polarizado diretamente, existe uma pequena queda de potencial
aos seus terminais, chamada barreira de potencial ou tensão de arranque. Para díodos de
silício à temperatura ambiente, esta tensão é de aproximadamente 0.7 V.
O facto de o díodo conduzir preferencialmente num sentido sugere o uso prático
destes dispositivos para a obtenção de uma tensão uniredicional a partir de uma tensão
alternada (rectificação). Este é um dos tópicos que terá a oportunidade de estudar neste
laboratório.
Guias de laboratório, Electrónica I
8
Figura 4. Curva estática
VB de um díodo.
Vd
ΔId 1KΩ
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ΔVd
Experimental
Nesta primeira experiência vai obter dados que lhe permitem traçar a curva
característica do díodo.
E1 - Monte o circuito da Figura 3. Use um díodo de silíco (1N914 ou equivalente).
Figura 3. Circuito com díodo para traçado da curva característica.
E2 - Ajuste a fonte de alimentação de forma a medir tensões aos terminais da resistência
de 1 KΩ em incrementos de 0.1V (0.1 V, 0.2 V....). Para cada tensão use o multímetro
para medir a queda de tensão aos terminais do díodo (Vd). A corrente que passa no
díodo é a corrente que passa na resistência de 1 KΩ. Usando a lei de Ohm, determine a
corrente que passa no díodo.
E3 - Represente gráficamente a
curva estática do díodo (corrente tensão).
E4 - Determine a barreira de
potencial ou tensão de arranque VB,
e a resistência do díodo em
polarização directa Rf (veja a Figura
4.)
Rf =
ΔVd
ΔI d
E5 - Monte o circuito representado na Figura 5.
E6 - Ligue o osciloscópio no modo X-Y, e ajuste as escalas na seguinte forma:
Vertical (ou Y), sensibilidade: 10 mV/divisão, acoplamento dc.
Horizontal (ou X), sensibilidade: 1V/divisão, acoplamento dc.
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9
100 Hz
100 Ω
Osciloscópio
Entrada
vertical (Y)
Entrada horizontal (X)
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Vd
10 Ω
E7 - Coloque o ponto no centro do visor. Ajuste a frequência da onda triangular em
aproximadamente 100 Hz, e varie a amplitude até observar a curva característica do
díodo semelhante à representada na Figura 6.
Figura 5. Arranjo experimental para visualizar a curva característica de um díodo
usando o modo X-Y de um osciloscópio
A entrada horizontal do
osciloscópio mede a tensão aos
terminais do díodo (despreza-se a
queda de tensão na resistência de 10
Ω). A entrada vertical mede a queda de
tensão aos terminais da resistência de
10 Ω. Usando a lei de Ohm é possível
ler a corrente no díodo (Id). Assim, se a
escala vertical tiver uma sensibilidade
de 10 mV/divisão, então em termos da
corrente que passa pela resistência de
10 Ω , temos que:
Sensibilidade (escala vertical) =
Guias de laboratório, Electrónica I
Figura 6.
10 mV/divisão
= 1mA/divisão
10 Ω
10
Vi
1KΩ Vo
C
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Vd
Introdução aos circuitos rectificadores.
Uma das aplicações mais correntes dos díodos é a rectificação, isto é, a
obtenção de uma tensão unidireccional a partir de uma tensão alternada. Se
intercalarmos um díodo à saída de uma fonte de alimentação sinusoidal, ele só deixa
passar a metade do ciclo em que está polarizado directamente, bloqueando quase
completamente a outra metade. Para evitar a ondulação, isto é, a descida da tensão a
zero no meio ciclo em que o díodo não conduz geralmente coloca-se um condensador de
capacidade adequada em paralelo com a saída.
E8 - Monte um circuito rectificador de meia onda representado na Figura 7, e observe as
formas de onda que obtém, quando em presença de um sinal de entrada sinusoidal.
Utilize para esse efeito tensões alternadas sinusoidais de frequências diferentes (50 Hz;
1KHz; 10 KHz; e 100 KHz) Observe a tensão de saída para valores diferentes de C,
comece por fazer C=0.
(Este assunto continua no próximo guia de laboratório)
Figura 7. Circuito para observação da rectificação de meia-onda.
Simulação com o PSpice(trabalho facultativo)
Use o programa PSpice, para simular a característica I-V de um díodo para várias temperaturas.
Pode usar a versão instalada nos computadores dos laboratórios de ensino da área departamental, ou obter
a sua própria cópia da versão para estudantes no seguinte endereço electrónico:
http://www.cadencepcb.com/products/downloads/PSpicestudent/default.asp
Bibliografia
Microelectronic Circuits, 4º edition
Adel S. Sedra, e Kenneth C. Smith Smith
Oxford University Press
Microelectrónica
Jacob Millman, Arvin Grabel
1º volume, 2ª edição, McGraw-Hill, 1992
Pode observar uma animação que demonstra o funcionamento de uma junção pn no seguinte endereço
electrónico:
http://www.st-and.ac.uk/Scots_Guide/info/comp/passive/diode/diode.htm
Guias de laboratório, Electrónica I
11
Figura 8. John Ambrose Fleming usou uma lâmpada como
esta, com um elétrodo de fio extra no seu interior. Fleming
disso
em 1904,
quando
procurava um detector
Universidade dolembrou-se
Algarve, FCT,
Henrique
Leonel
Gomes.
para ondas de radio.
Nota histórica
Em 1880 Thomas Edison observou que o vidro das lâmpadas escurecia com o
tempo, o que o levou a suspeitar de que algo se deslocava no interior das lâmpadas que
usava. Em 1904 Ambrose Fleming utilizou este chamado “efeito Edison” para fabricar o
primeiro díodo um dispositivo com dois elétrodos ao qual ele chamou ”válvula”
O primeiro díodo foi construído num invólucro de vidro "fechado a vácuo", tal
como a lâmpada eléctrica de filamento inventada por Edison.
Um dos eléctrodos denomina-se cátodo
e é aquecido de tal modo que liberta electrões.
O outro eléctrodo denominado ânodo, ou placa,
capta os electrões emitidos pelo cátodo.
Esta passagem de corrente eléctrica só se
verifica se o sinal da carga no ânodo for positivo. Caso a carga do ânodo seja negativa
não existe passagem de corrente eléctrica.
Embora o díodo tenha sido construído
inicialmente para detectar ondas hertzianas
de alta frequência, foi também utilizado
como rectificador de corrente.
No díodo é possível consubstanciar um sistema binário 0 e 1 através da detecção
da passagem ou não de corrente eléctrica. Por este facto foi o primeiro dispositivo
electrónico utilizado na construção dos computadores. Com vários díodos foi possível
construir a memória binária.
Projecto extra-curricular
Guias de laboratório, Electrónica I
12
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O díodo semicondutor, além da importante função de retificar o sinal possui
características relativas à temperatura que o tornam capaz de medir tal grandeza. Na
Figura 9 representam-se as características I-V de um mesmo díodo para diferentes
temperaturas. Se mantivermos a corrente que passa pelo díodo constante, teremos aos
terminais do díodo uma tensão que varia em função da temperatura (ver Equação 3).
Uma vez que dentro de determinadas aproximações, a tensão no díodo é directamente
proporcional à temperatura absoluta, podemos comparar a mesma com uma tensão de
referência, e implementar um controlador de temperatura com um díodo semicondutor.
A Figura 10 representa um diagrama esquemático de um circuito electrónico que
implementa um destes controladores.
VD =
⎛ I
⎞
nk
T ln⎜⎜ D + 1⎟⎟ (3)
q
⎝ I S
⎠
F
Figura 9. Curvas I-V de um díodo medidas a diferentes temperaturas.
Fig. 10 – Controlador de temperatura que usa díodos semicondutores como sensores de
temperatura
Neste circuito, a tensão sobre o díodo D1 (que neste caso deve ser o sensor de
temperatura) é comparada com uma tensão ajustada em P1. Da maneira como está
montado este circuito, L1 acende quando a temperatura sobre o díodo D1 for maior que
a temperatura ajustada. Se invertermos os pinos 2 e 3 do integrado 741, L1 acende
quando a temperatura sobre o díodo for menor que o valor ajustado.
Ajuste da tensão de referência:
Guias de laboratório, Electrónica I
13
Circuitos
lógicos
Detectores
Circuitos
rectificadores
Díodos
sintonia
e e
Moduladores
Lasers
de semicondutores
Díodospara
de
efeito
de
túnel
Optoelectrónica
Electrónica
Díodos
emissores de luz
limitadores
para
circuitos
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Díodos paraUniversidade
circuitosdode
misturadores
rádio-frequência
Para ajustar a tensão de referência, coloca-se a D1 a temperatura de ajuste. Em
seguida, roda-se-se o potenciometro até que L1 mude de estado. Este é o ponto de
ajuste.
Aplicações dos díodos
Trabalho
Guias de laboratório, Electrónica I
Data
Professor
14
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Trabalho
Guias de laboratório, Electrónica I
Data
Professor
15
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16
Rectificador com
díodos
Carga
Filtro
Regulador
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Electrónica I, ano lectivo 2005/2006
Engenharia Electrónica e Informatica
Engenharia Física Tecnológica
Circuitos rectificadores e filtros RC
Material
Diodo de silício 1N914 ou equivalente
Resistências: 100 Ω, 1KΩ, 10 KΩ.
Condensadores de 10 nF, e de 100µF
Introdução
Este trabalho faz uma introdução à operação de circuitos rectificadores e reguladores
de tensão. Iniciando com uma tensão ac, obtem-se uma tensão dc estacionária por meio
da rectificação deste sinal de entrada. Depois é realizada a filtragem para um nível dc, e,
finalmente, o sinal é regulado para se obter na saída o nível desejado de tensão dc. Em
geral, a regulação é feita por um circuito integrado regulador de tensão, que recebe uma
tensão dc e fornece um nível ligeiramente menor, o qual permanece constante, mesmo
que a tensão de entrada varie, ou a carga ligada à saída do circuito varie de valor.
A Figura 1 representa um digrama de blocos mostrando os vários estágios de uma
fonte de tensão típica, e a forma de onda nos vários pontos do circuito. A tensão ac,
normalmente 220 V, alimenta um transformador, cuja a função é reduzi-la para o nível
de tensão desejado. Díodos rectificadores fornecem, então, uma tensão rectificada de
onda completa, que é inicialmente filtrada por um condensador simples para produzir
uma tensão dc. Esta tensão dc resultante ainda possui algum “ripple” ou variação ac. O
circuito regulador pode aproveitar esta entrada dc para produzir uma tensão dc que não
só possui menos “ripple” como ainda mantém constante o nível de saída, mesmo para
variações na entrada ou na carga que está ligada. Esta regulação é via de regra, obtida,
utilizando-se um circuito integrado. Este circuitos integrados não serão abordados nesta
disciplina. Pode encontrar mais informações sobre estes circuitos na referência [1].
Figura 1. Diagrama de blocos apresentando os estágios de uma fonte de tensão.
Considerações gerais sobre filtros.
O circuito rectificador converte um sinal com um valor médio nulo em um sinal com
um valor médio diferente de zero. A saída resultante de um rectificador é uma tensão
com pequenas oscilações, que ainda não seria adequada para alimentar uma carga. Esta
Guias de laboratório, Electrónica I
17
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tensão poderia ser utilizada, por exemplo, em um carregador de baterias, onde a tensão
dc média é suficientemente grande
para proporcionar uma corrente de carga para a
Ripple
bateria. Entretanto, como tensão dc para ser utilizada Tem
em rádios,
o mesmoaparelhos de som, e
computadores, não seria de maneira alguma a indicada.declive
É necessário um filtro para que
a tensão dc de saída da fonte seja mais estável.
Antes de entrarmos em detalhes sobre o circuito de filtragem, seria mais apropriado
considerar os métodos usuais de análise de filtros, de forma que possamos comparar a
eficiência de um circuito actuando como filtro. A Figura 2 mostra uma tensão de saída
típica de um filtro, servirá como exemplo para definirmos alguns dos factores
considerados no sinal. A saída filtrada da Figura 2 apresenta um nível dc e alguma
variação ac “ripple”. Quanto menor for a variação ac comparada ao nível dc, melhor é a
operação de filtragem.
Figura 2. Forma de onda de saída de um filtro rectificador, mostrando o nível dc e a tensão de
ripple. (a) rectificador de meia onda, (b) rectificador de onda completa. (c) Tensão de ripple Vr.
Existem vários parâmetros para classificar a qualidade de um filtro, um deles é o
factor de ripple. Define-se factor de ripple (FR) como:
FR =
V
Tensão de ripple
= r × 100%
Tensão média na carga Vdc
Existem outros parâmetros, como seja a regulação de tensão. Este tema é importante
para o desenho de fontes de alimentação e não será estudado nesta disciplina. Os
curiosos podem consultar a referência [1].
Filtro com condensador
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18
C
Circuito
rectificador
Carga
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O circuito de filtro mais popular é o que utiliza um simples condensador, como o
representado na Figura 3. Um condensador é ligado à saída do rectificador, e uma
tensão dc é obtida nos terminais do condensador.
Figura 3. Filtro com um único condensador.
A Figura 4, mostra a forma de onda existente nos terminais de um rectificador com
condensador. O tempo T1 é o tempo durante o qual os díodos rectificadores de onda
completa conduzem, carregando o condensador até a tensão de pico do rectificador, Vm.
O tempo T2 é o intervalo de tempo durante o qual a tensão de pico do rectificador desce
abaixo da tensão de pico, e o condensador descarrega através da carga. Como o ciclo de
carga-descarga ocorre para cada meio ciclo, isto para um rectificador de onda completa,
o período da forma de onda rectificada é T/2, metade do período do sinal de entrada. A
tensão filtrada, como mostra a Figura 4, representa uma forma de onda na saída com um
nível dc Vdc e uma tensão de “ripple” Vr (rms), resultado da carga e descarga do
condensador.
Figura 4. Forma da tensão e saída de um rectificador de onda completa com
condensador.
Período de condução do díodo e corrente de pico do díodo
Da discussão anterior, deve ficar claro que quanto maior o valor do condensador,
menor é o “ripple”, e maior é a tensão média na saída, resultando em melhor filtragem.
Daí se poderia concluir que para melhorar a performance de um filtro, é necessário
somente aumentar o tamanho do condensador. O condensador entretanto, também afecta
a corrente de pico que passa através dos díodos, e como quanto maior o valor do
condensador, maior é a corrente através dos díodos.
Lembre-se que os díodos conduzem durante o período T1 (Ver Figura 4), quando o
díodo deve fornecer a corrente média necessária para carregar o condensador. Quanto
menor este intervalo de tempo, maior tem de ser a corrente de carga. A Figura 4 mostra
esta relação para um sinal rectificado de meia onda. Observe que para valores menores
Guias de laboratório, Electrónica I
19
Rf
Vo
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do condensador, com T1 maior, a corrente de pico do díodo é menor do que para valores
mais elevados dos condensadores.
Figura 5. Tensão de saída e forma de onda da corrente no díodo
(a) pequeno C; (b) grande C.
Este pulso intenso de corrente pode colocar alguns problemas no desenho de circuitos
rectificadores. Por exemplo, considere o circuito representado na Figura 6, que vai
usar no decorrer deste trabalho. Aumentar a resistência Rf provoca uma atenuação
na tensão de saída Vo. É importante também notar que se Rf é muito pequena a
corrente através do díodo aumenta, e o díodo pode queimar. Portanto tem de se
arranjar uma solução de compromisso, fazer Rf pequena de forma a não atenuar
muito o sinal de saída, mas não tão pequena de forma que continue a proteger o
díodo dos picos de corrente.
Experimental
Nas experiências que se seguem é importante ter presente algumas das
expressões que deduziu nas aulas teóricas, em concreto como varia a tensão de ripple
em função da freqüência e dos componentes do circuito.
Para um rectificador de meia onda temos que:
⎛
1 ⎞
⎟⎟VO (rect.)
Vdc = ⎜⎜1 −
⎝ 2 fRC ⎠
⎛ 1 ⎞
⎟⎟VO (rect.)
Vr ( p − p ) ≅ ⎜⎜
⎝ fRC ⎠
E1 - Monte o circuito representado na Figura 6. Use um díodo de silíco (1N914 ou
equivalente). Escolha valores que lhe pareçam razoáveis para Rf e RL e C. (comente as
suas escolhas no seu caderno de engenheiro) Varie a frequência de um sinal na entrada e
observe a forma de onda de saída.
Guias de laboratório, Electrónica I
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1 KHz
RL
C
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Figura 6. Circuito rectificador de meia onda.
E2 – Dimensione C de modo a obter uma ondulação máxima de tensão de 0.5 V,
quando a tensão de saída média é igual a 2.2 V, e o valor máximo da corrente média na
resistência de carga RL não deverá exceder 1 mA. A frequência do sinal sinusoidal de
entrada Vi deverá ser igual a 1 KHz.
Para além de funcionar com rectificador, o circuito que acabou de estudar tem
aplicações interessantes na área das telecomunicações, leia com atenção o exemplo no
fim deste guia.
E3- Monte o circuito representado na Figura 7.
a) Observe e explique o sinal aos terminais da resistência
b) Ligue um condensador C (10 nF) em paralelo com R (10 KΩ). Variando a
frequência do sinal de entrada, observe e explique a forma de onda da saída.
c) Projecte um filtro que minimize o “ripple”. Meça o valor experimental do
“ripple” e compare com os valores estimados.
Figura 7. Rectificador de onda completa.
Nota importante: Para observar a rectificação de onda completa realizada pelo
circuito representado na Figura 7, deve desligar o osciloscópio da terra. Peça ao
Professor para fazer esta operação, e verificar se não existe risco para os alunos.
Exemplo de uma aplicação de díodos e filtros em
telecomunicações. (detector da envolvente).
Guias de laboratório, Electrónica I
21
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(a) Sinal áudio
Nesta experiência vamos trabalhar com o conceito de modulação, um
processo usado em telecomunicações para transmitir sinais através de ondas de
radio. Depois de obter uma onda modulada, vamos utilizar os conhecimentos sobre
díodos e circuitos RC para fazer a desmodulação e recuperar a forma de onda
(b) Portadora
original.
Sinais de baixa frequência como os da voz humana ou musica (sinais áudio),
não podem ser transmitidos de forma eficiente pela atmosfera. Em contraste, ondas
de alta frequência (Isto é acima dos 100 kHz) são transmitidos de forma eficiente a
longas distâncias. Ondas com estas frequências são usadas pelas estações de rádio,
e são chamadas ondas de Rádio-Fequência (RF).
Um modo de transmitir a informação de um sinal de áudio numa onda de RF
(c) Sinal
é através da modulação
damodulado
amplitude dessa onda. Este processo é chamado de
modulação. Vamos trabalhar com um tipo particular de modulação a que
chamamos modulação em amplitude ou AM. De forma entender este processo,
considere os sinais representados na Figura 8. O sinal (a) é um sinal áudio. O sinal
(b) é o sinal de RF e é chamada a portadora. O sinal em (c) é o sinal de RF
modulado em amplitude pelo sinal áudio. Este é o sinal gerado por um transmissor
de rádio.
Figura 9. Modulação em amplitude.
Quando estas ondas atingem a antena do receptor, geram uma tensão na
entrada do receptor. Para recuperar o sinal áudio original do sinal (c) precisamos
encontrar um meio de não seguir os picos individuais da portadora, mas apenas os
picos da envolvente que correspondem ao sinal áudio original. Para ver como isto
pode ser feito considere o circuito na Figura 10 que já estudou na experiência E1.
Observamos que quando o circuito é alimentado por um sinal ac, obtem-se na saída
um sinal quase contínuo. Por outro lado se o valor da amplitude do sinal varia
lentamente, a saída também varia lentamente. Assim se o circuito receber à
entrada um sinal modulado em amplitude vamos ter na saída o sinal representado
na Figura 10b . Nesta experiência deve ser usado um díodo de germânio que tem
uma tensão de arranque de 0.2 V.
A saída do circuito representado na Figura 10b tem o sinal áudio desejado,
deslocado de uma determinada componente dc. O que precisamos fazer agora é
remover esta componentes dc e amplificar o sinal. Estas duas operações podem ser
feitas pelo circuito amplificador que terá a oportunidade de estudar mais tarde.
Guias de laboratório, Electrónica I
22
Pré-amplificador
Amplificador
de potência
Universidade do Algarve, FCT, Henrique Leonel Gomes.
Figura 10. Exemplo de como o sinal áudio pode ser recuperado.
Na prática um receptor rádio AM pode ser feito usando os blocos
representados na Figura 11. O primeiro bloco é um circuito LC que faz a sintonia da
estação emissora, o segundo bloco é o chamado detector da envolvente, e os
andares seguintes são de amplificação.
Figura 11. Diagrama de blocos de um circuito receptor AM.
Referências
[1] Capítulo 19 do livro “Dispositivos electrónicos e teoria de circuitos”,
Robert Boylestad e Louis Nashelsky, Prentice Hall, (Existe uma cópia na biblioteca.)
Trabalho
Guias de laboratório, Electrónica I
Data
Professor
23
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Trabalho
Guias de laboratório, Electrónica I
Data
Professor
24
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25
R
R
Vi
Vi
VR1
VR2
V0
V0
Ri
Circuito a
proteger
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Electrónica I, ano lectivo 2005/2006
Engenharia de Sistemas e Informática
Engenharia Física Tecnológica
Aplicações com díodos
Limitador, recuperador de nível dc, e
duplicador de tensão.
Material
Diodo de silício 1N914 ou equivalente
Díodos Zener
Resistências: 1KΩ.
Condensadores de 10 nF.
Introdução
Os díodos para além de poderem realizar a função de rectificação, são utilizados em
muitas outras aplicações, nomeadamente em circuitos limitadores, e deslocadores de
nível dc. Em geral um limitador corta parte da onda de entrada, e o deslocador de nível
desloca o nível dc da onda de entrada.
A Figura 1 representa um exemplo típico de um circuito limitador usado para
proteger um circuito.
Figura 1. Circuitos limitadores de tensão a) com díodos normais; b) Com díodos
Zener.
Na Figura 1a) os díodos normais funcionam com limitadores da tensão Vin. Uma
análise simples ao circuito permite verificar que a tensão Vin está limitada
inferiormente à tensão -VR2-VD0 e superiormente à tensão VR1+VD0.
Existem circuitos que podem ser destruídos por sobretensões nas suas entradas.
Nestes casos é necessário proteger esses circuitos, um exemplo possível é o esquema
Guias de laboratório, Electrónica I
26
IZK, Corrente
Universidade do Algarve, FCT, Henrique Leonel
Gomes. no joelho da
curva, acima deste valor pode
usar
o
Zener
com
estabilizador
de
tensão.
representado na Figura 1. Usando díodos normais torna-se
necessário escolher
adequadamente os valores de tensãoIZTV, R1
e
V
.
Note
que
a
resistência
R é necessária
CorrenteR2de teste para a
qual o fabricante
para limitar a corrente máxima nos díodos,
mas deveespecifica
ser muito menor que a resistência
Vz.a proteger.
(ou impedância) de entrada do circuito
A Figura 1b representa um circuito
equivalente que faz uso de dois díodos Zener
IZM, Corrente máxima que o
com tensões Zener VZ1 e VZ2. Atendendo
à curva
característica I-V de um díodo Zener,
Zener pode
suportar.
pode-se concluir que quando um dos díodos funciona na região Zener, o outro funciona
como um díodo normal polarizado diretamente, e vice versa. Desta forma, a tensão VO
fica limitada inferiormente à tensão –VZ1-VD e superiormente à tensão VZ2 +VD. Além
disso, os díodos só conduzem quando da tensão Vi ultrapassa os limites definidos, caso
contrário os díodos não conduzem.
É importante lembrar alguns pontos importantes acerca dos díodos Zener. A Figura
2 representa a curva característica de um Zener em polarização inversa. À medida que a
tensão em polarização inversa (VR) aumenta, a corrente é extremamente pequena até
aproximadamente ao joelho da curva. Neste ponto ocorre uma ruptura por efeito de
Zener, e a corrente cresce dramaticamente enquanto que a tensão permanece
aproximadamente constante. Esta capacidade é a principal característica de um díodo
Zener. Um Zener mantém essencialmente a mesma tensão aos seus terminais
independentemente da corrente. É obvio que existe um valor mínimo de corrente acima
do qual o díodo tem esta propriedade, e um valor máximo acima do qual a potência no
díodo é suficientemente grande para o danificar.
Figura 2. Curva característica de um díodo Zener em polarização inversa. Vz é
especificada pelo fabricante à corrente de teste IZT, e é normalmente designada por VZT.
Em anexo pode encontrar as folhas de especificações de um díodo Zener da série
1N746 onde pode obter entre outras informações a potência que o díodo pode suportar.
Lembre-se que a potência dissipada é dada pela expressão P=V.I.
Por exemplo, se VZ=12V e IZ=10 mA, a potência dissipada no seu díodo Zener é de
120 mW.
Díodos Zener comercialmente disponíveis tem valores de potência que variam de ¼
W até cerca de 50W.
Por exemplo, a folha de especificações do 1N746 diz-nos que a máxima potência
dissipada é de 400 mW. No projecto de um circuito deve-se manter sempre a potência
significativamente abaixo do valor máximo.
As folhas de especificação incluem normalmente a corrente máxima que o díodo de
Zener pode suportar sem exceder a potencia máxima. Por exemplo, o IN 759 tem uma
Guias de laboratório, Electrónica I
27
0
Vi
C VR1
Vi
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tensão de Zener de 12V, por conseguinte a corrente máxima que pode suportar é de
IZM=33.3 mA (IZM= 400mW/12V)
As folhas de especificção dão-nos dois valores para a corrente máxima, 30 e 35 mA,
estes dois valores é para levar em conta a tolerância na tensão de Zener. Por exemplo, o
1N967 tem uma tensão de Zener de 18V com uma tolerância de 20%.
Experimental
E1- Monte o circuito representado na Figura 3. Ajuste a fonte de tensão continua de
modo a ter VR1=1Volt. Aplique ao circuito um sinal sinusoidal com a amplitude 5V de
pico a pico, valor dc nulo e com uma frequência de 1 kHz.
E2-Observe o sinal de saída, e compare-o com a onda de entrada. Meça os valores
de pico máximo e mínimo.
E3- Varie VR1 de 0 até +5 V. Observe o comportamento do circuito.
E4- Inverta o díodo. Observe o sinal de saída. Repita os pontos anteriores.
Figura 3. Limitador com nível variável.
E5- Monte um circuito que permita limitar o sinal de saída a dois níveis variáveis
independentes. Para tal adicione ao circuito da Figura 3 uma fonte de tensão VR2 e um
díodo, de modo a limitar a parte inferior do sinal.
Nota: Vai precisar de usar duas fontes de tensão, uma positiva, e outra negativa,
para tal vai ter de ligar à terra o terminal negativo de uma das fontes, enquanto na
outra fonte liga à terra o terminal positivo (consulte o professor se tiver dúvidas).
E7- Esboçe o sinal de saída para valores diferentes de VR1 e VR2.
E8- Monte o circuito representado na Figura 4 (use C=10 nF,) Observe e explique
VO (t) se Vi(t) for uma tensão sinusoidal (Vpp=5V, f=1 kHz).
Figura 4. Circuito recuperador de nível dc.
E9- Inverta os terminais do díodo. Observe e explique a forma de onda na saída
Vo(t).
Guias de laboratório, Electrónica I
28
16 V
VD1
Vi
RLC
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E10- Monte o circuito representado na Figura 5, (C1=C2=10 nF) aplique à entrada
uma onda sinusoidal com amplitude de 5V e frequência de 1 kHz. Observe a onda em
VD1 e em VO. Explique a forma de onda na saída VO(t).
Figura 5. Duplicador de tensão.
E11-Projecte o circuito representado na Figura 6 para manter VL=12V e para uma
variação IL de 0 a 200 mA na resistência de carga. Ou seja, determine RS e VZ. Monte o
circuito.
Figura 6. Circuito com díodo Zener.
Trabalho
Guias de laboratório, Electrónica I
Data
Professor
29
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Trabalho
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Data
Professor
30
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31
Base
Emissor
Colector Base
Colector
Emissor
Emissor
Colector
Base
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Electrónica I, ano lectivo 2005/2006
Engenharia de Sistemas e Informática
Engenharia Física Tecnológica
O Transístor Bipolar
Conceitos básicos e funcionamento como
comutador
Material
LDRs
LEDs
Transístores bipolares 2N3906 (PNP), 2N3904(NPN)
Resistências várias 1 k Ω, 10 Ω
Objectivo
Familiarizar-se com as propriedades dos transístores bipolares, de forma adquirir os
conhecimentos básicos que lhe permitam utilizar este dispositivo em circuitos mais
complexos. Em concreto, vai apreender a:
1-identificar os terminais de um transístor e o tipo de transistor (npn ou pnp).
2- medir β de um transístor
3-identificar as regiões de funcionamento, e utilizar este dispositivo como
comutador.
Introdução
A estrutura básica de um transístor npn, esta representada na Figura 1, juntamente
com o respectivo símbolo, e um encapsulamento típico.
Na prática para identificar rapidamente os terminais de um transístor, precisamos
conhecer um conjunto de regras que variam de acordo com o encapsulamento que o
fabricante usa. A Figura 2 representa alguns dos encapsulamentos mais comuns.
Figura1. Estrutura física de um transístor bipolar, símbolo de um transístor do tipo npn
e um encapsulamento típico.
Guias de laboratório, Electrónica I
32
B Cpor baixo
TO-92
TO-92 E
visto
Indica o
terminal
Universidade do Algarve, FCT, Henrique Leonelemissor
Gomes.
TO 18
Figura 2. Alguns dos encapsulamentos mais comuns usados para transístores.
Os transístores bipolares mais frequentes no laboratório estão encapsulados no
tipo TO-92 ou TO-18. Neste caso a identificação dos terminais faz-se de acordo com o
representado na Figura 3.
Figura 3. Diagrama esquemático para identificação dos terminais no encapsulamento
do tipo TO-92 e TO-18.
Um método alternativo de identificar os terminais é medir a resistência entre os
diferentes contactos. Como se pode observar na Figura 1, a área de contacto entre o
emissor e a base é muito menor que área de contacto entre a base e o colector, se
recordarmos que a resistência eléctrica (R), de um condutor é dada pela expressão:
R=ρ
L
A
Onde:
ρ é a resistividade do material, L é comprimento do condutor e A é a área de secção
transversal
Conseguimos facilmente identificar os terminais de um transístor medindo a resistência
que existe entre eles. Tenha em mente que junções com grande área tem uma resistência
Guias de laboratório, Electrónica I
33
Ω
E
Ω
Alto R
IE
B
α IE
I C= α
CIE+IS
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ligeiramente inferior, e que a junção base-colector de um transístor típico tem uma área
muito maior que a junção base-emissor.
O tipo de transístor também pode ser determinado se, simplesmente, for
observada a polaridade dos transístores ao realizar uma medida na junção base-emissor.
Se o terminal (+) ligado à base, e o terminal negativo (-) ao emissor, a leitura de uma
baixa resistência indica um transístor do tipo npn. A leitura de uma resistência alta
indica um transístor pnp. Embora um ohmímetro possa ser utilizado para a
determinação dos terminais de um transístor (base, colector, e emissor), assume-se que
esta determinação possa ser feita simplesmente observando-se a orientação dos
terminais no encapsulamento (ver Figura 3).
Transístor do tipo npn
Transístor do tipo pnp.
Figura 4. Exemplo de como pode determinar o tipo de transístor que esta a usar.
Regiões de funcionamento do transístor bipolar de junção.
O modo de funcionamento do transístor é determinado pelas polarizações
aplicadas às junções. A junção emissora (base-emissor) e a junção colectora (colectorbase) comportam-se como díodos normais (junções pn) quando polarizadas
directamente. Considerando a junção colectora independente e polarizando-a
inversamente (Figura 5.) ela conduz uma corrente de fugas Is. Quando a junção
emissora é polarizada directamente, conduz uma corrente IE, a junção colectora por seu
lado passa a conduzir uma corrente IC que é a soma de IS com a corrente αIE, onde α é o
ganho de corrente na configuração base-comum. Na prática Is é muito pequena
comparada com IE. Quando transístor se encontra a funcionar nestas condições diz-se
que se encontra na região activa.
Polarizando também inversamente a junção emissora a corrente IE anula-se e
diz-se que o transistor está ao corte. Quando as junções estão ambas polarizadas
directamente, o transístor está na região de saturação (ver Figura 6).
Figura 5. Modelo equivalente de um transístor pnp.
Guias de laboratório, Electrónica I
34
Directa
Directa
Região de saturação
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E
C
B
Inversa
Directa
Inversa
Inversa
Região activa
E
C
B
E
C
B
Região de corte
Figura 5. Curvas características de saída de um transístor npn, mostrando as regiões
de funcionamento. E um diagrama esquemático das polarizações das junções.
Beta (β) do transístor
Na análise dc os valores de IC e IB são relacionados por um parâmetro
denominado beta e definido pela seguinte equação
I
β= C
IB
onde IC e IB são determinadas por um ponto de operação particular na curva
característica. Os transístores apresentam valores de β que variam tipicamente de 50 a
400. Para um dispositivo com um β de 200 a corrente do colector é 200 vezes maior do
que a corrente de base.
Nas folhas de especificações, βdc é normalmente incluído com hFE, com h
derivado de circuito equivalente ac híbrido. As letras FE são derivadas da amplificação
de corrente directa (forward) e configuração emissor comum, respectivamente.
Experimental
Alguns multímetros têm a facilidade “diode check”, nestes instrumentos o visor
mostra a queda de tensão entre o ânodo e o cátodo quando o díodo está polarizado
directamente. Em polarização inversa o multímetro mostra uma indicação de fora de
escala, aparece então no visor as letras “OL” ou outra indicação intermitente. Se o
multímetro não tiver a função “diode check”, podemos usa-lo simplesmente como um
Ohmímetro para medir a resistência das junções do transístor.
A funcionar como Ohmímetro o instrumento aplica uma pequena tensão aos seus
terminais de forma a medir a resistência do dispositivo em teste.
E1- Use um transístor do tipo npn (o 2N3904). Meça a resistência entre os terminais do
transístor, identificados pelas letras x, y, e z. Use os termos “elevada” ou “baixa” para
preencher a Tabela I.
Terminal
Guias de laboratório, Electrónica I
Terminal
Leitura da resistência
35
VB
RB=1 kΩ
RE=1
+ 2N3904
10
V kΩ
R
C=1 k Ω
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positivo
x
x
y
y
z
z
negativo
y
z
x
z
x
y
Tabela I. Resultados da leitura das resistências entre os terminais de um transistor npn,
o 2N3904.
Com base nos dados da Tabela I, identifique os terminais do transístor (emissor, base e
colector.)
Terminal
Identificação (emissor,
base ou colector)
x
y
z
Tabelas II. Identificação dos terminais do transístor 2N3904.
Note que transístores do tipo npn dão resultados opostos aos transístores do tipo pnp.
Estes resultados são facilmente explicáveis com base no esquema representado na
Figura 4. A aplicação de uma tensão positiva entre a base e o emissor polariza
directamente a junção num transistor npn, Já em um transístor do tipo pnp uma tensão
positiva entre a base e o emissor polariza inversamente a junção.
Estas experiências simples permitem-lhe identificar não só os terminais de um
transístor mas também saber qual o tipo (npn ou pnp) de transístor que está a ser usado
E2- Monte o circuito da Figura 6 utilizando dois LEDs de cores iguais.
Figura 6. Circuito para a identificação das regiões de funcionamento de um transístor
npn.
E2a- Aumente a tensão VB, até observar uma ligeira luminosidade nos LEDs. Fixe
VB=3.0 V, observe a luminosidade dos dois díodos (é idêntica ou diferente?).
Meça VBE e VCB. Em que região de funcionamento se encontra o transístor? Justifique.
Guias de laboratório, Electrónica I
36
Universidade do Algarve, FCT, Henrique Leonel Gomes.
Meça as tensões aos terminais das resistências RC e RE, e calcule os valores de IC e IE
Calcule agora o valor para α. Achou um valor impossível para α?. Discuta com o
problema com o professor.
VBE
VCB
VRC
VRE
α
Nota: Analise os resultados das suas medidas, particularmente os valores de α, é
provável que encontre um valor para α estimado a partir de IC/IE, muito elevado
podendo até ser superior a 1 !! .
E2b- Coloque o multímetro de forma a medir VCB , enquanto aumenta ligeiramente VB
até que VCB seja aproximadamente zero.O que pode dizer sobre a forma como a
polarização da junção colector-base se está a alterar?.
Coloque VB =5V e meça a tensão VCB. Observe a luminosidade dos díodos. Meça VBE e
VCB. E as correntes IE, IC, e IB. Em que região de funcionamento se encontra o
transístor? Justifique.
VBE
VCB
E2c-Continue a aumentar a tensão VB até observar uma diferença significativa de
luminosidade entre os dois LEDs (não ultrapasse VB=10V). O que pode concluir?
E2d- Retire o transístor do circuito e meça o β (hFE) do transístor usando o multímetro
Goldstar DM 441B. Compare com o valor de β que mediu no ponto E2a.
E2e-Substitua a fonte de tensão continua VB, por um gerador de sinais. Ligue a saída
pulsada “output pulse” (nos GW-40) ou TTL /CMOS nos geradores (gold). Escolha
uma frequência de aproximadamente 3 Hz. Observe a luminosidade dos LEDs. Se tiver
um gerador (gold) puxe para fora o botão (TTL/CMOS) e lentamente aumente a
amplitude dos pulsos enquanto observa as diferenças de luminosidade entre os díodos.
Pare de subir a amplitude do pulso assim que a luminosidade do LED no colector se
reduzir significativamente.
Circuito de comutação com um transístor bipolar.
O circuito de comutação, conhecido por inversor, é um dos elementos básicos
em electrónica digital, pois permite implementar a função lógica “NAND”. Um
exemplo de um inversor está representado na Figura 7.
No funcionamento como inversor, o transístor polarizado de forma a operar,
alternadamente entre dois estados de condução, correspondentes à situação de quase
saturação e de quase corte. Em electrónica digital, estes estados são designados de UM e
ZERO. No estado ZERO, o transístor deve comportar-se entre o colector e o emissor,
como um interruptor fechado com resistência baixa e no estado UM, como um
interruptor aberto, não deixando passar corrente.
O valor destes estados depende da corrente do colector, que é controlada pela
tensão da base. Quando a tensão Vi é nula ou inferior a 0.7 V (ZERO lógico), a corrente
de base IB é zero, e o transístor está ao corte (IC=0). Quando a tensão de entrada VI sobe
para UM lógico, a corrente de base IB será suficientemente grande, fazendo o transístor
Guias de laboratório, Electrónica I
37
VI(t)
VO(t)
VCC=10V
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entrar em modo de saturação. Em resultado da mudança de estado da entrada, de ZERO
para UM, o estado de saída passou de UM para ZERO.
O transístor opera agora de forma semelhante a um relé eletromecânico, porém
com muitas vantagens. Ao contrario do relé, o transístor não tem parte móveis e não usa
contactos mecânicos. O transístor é também bastante mais rápido.
E3- Monte o circuito da Figura 7, aplicando o sinal VI com 1 kHz de freqüência. Use a
saída “output pulse” do gerador de sinais.
Figura 7. Funcionamento de um transístor npn como comutador inversor.
E3a- Utilizando os dois canais do osciloscópio, visualize, e registe no seu caderno de
engenheiro as formas de onda VI e VO. Repita o procedimento anterior para as forma de
onda VI e VBE. Identifique as regiões de funcionamento do transístor ao longo de um
período.
E3b- Aumente a frequência do sinal para 10 kHz e depois para 100 KHz. Justifique o
comportamento observado a mais altas freqüências, atendendo aos tempos de resposta
do transistor (tON e tOFF).
E4- Monte o circuito representado na Figura 8. Ajuste o valor do potenciômetro de
forma que em condições normais de iluminação do laboratório o LED esteja desligado.
Quando passar a mão por cima do LDR e assim reduzir substancialmente a quantidade
de luz que incide no LDR, o LED deve acender.
Explique o funcionamento do circuito.
Monte o circuito de forma que em condições normais de iluminação o LED esteja aceso
e se desligue quando passar a mão por cima do LDR.
Guias de laboratório, Electrónica I
38
pentina de material
1k
A Encapsulamento
zona plana indicadieléctrico
o
220 Ω + 5V
condutor
470
k
LDR
terminal negativo.
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Figura 8. Interruptor activado pela luz.
Algumas informações úteis obre os componentes que está a usar.
É importante lembrar que o LED tem polaridade, veja a Figura 9.
Figura 9. Encapsulamento de um LED e indicação da polaridade dos terminais.
Figura 10. Os LDRS são dispositivos fotocondutores feitos geralmente com sulfato de
cádmio, (CdS. O CdS é um material semicondutor cuja a resistência depende da
intensidade luminosa.
Guias de laboratório, Electrónica I
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Figura 11. Funcionamento de um BJT como comutador.
Guias de laboratório, Electrónica I
40
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Figura
14. Uma
do caderno
de
Nota histórica: A invenção do
transístor,
17 página
de Novembro
de 1947.
laboratório de Walter Brattain. Repare
tomava
nota colocou
de tudo de
forma
A 17 de Novembro d como
1947 ele
Walter
Brattain
toda
a sua experiência num
detalhada. que
Um acabara
exemplodedo
que deve
termo com água. O “silicon contraption”
construir
era suposto ajuda-lo a
ser
um
caderno
de
laboratório.
entender como os electrões actuavam na superfície
de um semicondutor. Mas a condensação da água
na superfície do semicondutor estava a estragar a
experiência. Para se livrar desta condensação
Brattain devia ter colocado a sua experiência em
vácuo, mas isso demorava muito tempo, e para
apressar as coisas colocou a experiência em água e
livrou-se da condensação!!!.
Figura 12. Réplica do primeiro transístor.
O dispositivo produziu a maior amplificação que
ele já tinha observado. Quando contaram o
sucedido a Jonhn Bardeen ele pensou que isto era
uma nova forma de construir um amplificador.
Então a 21 Novembro, Bardeen sugeriu colocar
uma ponta metálica no silício rodeado por água
destilada. E consegui observar amplificação:
Bardeen e Brattain aperceberam-se então que
estavam no caminho de uma descoberta muito
importante.
Figura 13 Os três investigadores que receberam o
prémio Nobel por descobrirem o transistor.
Nestes primeiros estudos, os investigadores observaram que a corrente na junção
semicondutor-metal variava, quando uma outra corrente percorria uma segunda junção
semicondutor metal, próxima da primeira. Era um transístor de ponta de contacto.
O futuro dos transístores
O primeiro anúncio do transístor foi sem grande
pompa. Pensava-se que os circuitos integrados só iriam ter
aplicações militares. Os interessados em computadores
pensavam que era uma perda de dinheiro. O nascimento
do transístor foi assim bastante desvalorizado.
O próprio Lee de Forest (o inventor do tríodo)
quando foi convidado para a apresentação da descoberta,
disse a brincar: “O transístor não vai ter futuro”.
Guias de laboratório, Electrónica I
41
Universidade do Algarve, FCT, Henrique Leonel Gomes.
Apesar deste nascimento, o transístor ultrapassou todas as expectativas e
modificou o mundo.
Actualmente as previsões dizem que o transístor não pode ser substancialmente
reduzido para além das dimensões actuais. Mas em 1961 já os cientistas tinham previsto
que o transístor não podia ser mais pequeno do 10 µm. Hoje um moderno transístor num
Intel pentium é cerca de 100 vezes mais pequeno!!
Nesta perspectiva, todas as previsões podem parecer ridículas, e as previsões
actuais serão tão idiotas como eram as previsões a cerca de trinta anos atrás. Não será
bem assim. As previsões modernas são baseadas na física fundamental, e no tamanho do
átomo e do electrão. Os transístores funcionam com corrente eléctrica, e portanto tem
de ser suficientemente grandes para deixar passar electrões.
Por outro lado, a única coisa que precisamos é de um electrão de cada vez. Um
transístor suficientemente pequeno que funcione apenas com um electrão será
incrivelmente pequeno, mas ainda assim teoricamente possível. Os transístores do
futuro podem fazer parecer os microprocessadores actuais qualquer coisa parecida com
as gigantescas válvulas electrónicas.
Mesmo sem novas tecnologias, existe ainda espaço para miniaturização,
melhorando as técnicas de fabrico. Provavelmente no ano 2010 os transístores terão
metade do tamanho actual. O que tornará os nossos computadores mais rápidos e
aparentemente mais “inteligentes” !!.
Guias de laboratório, Electrónica I
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Trabalho
Guias de laboratório, Electrónica I
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Professor
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Trabalho
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Data
Professor
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Electrónica I, ano lectivo 2005/2006
Engenharia de Sistemas e Informática
Engenharia Física Tecnológica
Polarização do transistor bipolar por
divisor de tensão
Material
Dois transístores bipolares do tipo npn, 2N3904
Resistências 1 KΩ (x2), 4.7 KΩ, 10 KΩ (1/4 W).
Potenciómetro de 10 KΩ.
Secador de cabelo
Objectivo
O objectivo desta experiência é verificar as tensões e as correntes num circuito
de polarização usando um divisor de tensão, e construir a recta de carga do circuito.
Introdução
O termo polarização significa a aplicação de tensões dc em um circuito para
estabelecer valores fixos de corrente e tensão. Para amplificadores com transístor, a
corrente e a tensão dc resultante, estabelecem um ponto de funcionamento nas curvas
que define a região empregada para a amplificação do sinal aplicado. Já que o ponto de
operação é um ponto fixo na curva, este é também chamado ponto quiescente (ponto Q
abreviado) Por definição, quiescente significa repouso, imóvel, inactivo.
Guias de laboratório, Electrónica I
45
Figura 1.
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Análise aproximada do circuito de polarização por divisor de tensão
(4) VC = VCC − I C RC
⎛ R2 ⎞
⎟⎟VCC
(1) VB ≅ ⎜⎜
⎝ R1 + R2 ⎠
(5) VCE ≅ VCC − I C (RC + RE ) = VC − VE
(2) VE = VB − VBE
VCC
(saturação)
RC + RE
= VCC (Corte)
(6) I C ( sat ) ≅
(7) VCE ( off)
(8) R1 || R2 〈〈〈 βRE
A secção de entrada do divisor de tensão pode ser representada pelo circuito da
Figura 2. A resistência Ri é a resistência equivalente vista da base para a terra, para o
transístor com uma resistência no emissor RE. Se Ri, é muito menor do que a resistência
R2, a corrente IB será muito menor do que I2
e I2 será então aproximadamente igual a I1.
Se aceitarmos a aproximação de que
IB é desprezável em relação a I1 ou I2, então
I1=I2 e R1 e R2 podem ser considerados
elementos em série. A tensão através de R2,
que é na verdade, a tensão de base, pode ser
determinada pela aplicação da regra do
divisor de tensão (daí o nome para a
configuração).
Figura 2.
Guias de laboratório, Electrónica I
46
Universidade do Algarve, FCT, Henrique Leonel Gomes.
Figura 4.
Experimental
E1-Considere o circuito representado na Figura 3. Assuma
que a queda de tensão VBE é de 0.7V. Calcule as tensões
de polarização, VB VE e VC e a queda de tensão entre o
colector e o emissor, VCE. Tome nota dos seus cálculos na
Tabela I.
E2- Monte o circuito representado esquematicamente na
Figura 1. Usando o multímetro meça as tensões VB,VE ,VC
e VCE. Tome nota dos seus valores na Tabela I e compare
os valores medidos com os estimados com base nas
equações representadas na Figura 1. Os seus resultados
devem concordar com uma margem de erro de 10%.
F
igura 3.
E3- Meça a corrente no colector IC, e compare com o valor estimado usando a Equação
3. Tome nota dos resultados na Tabela I.
E4- Use um secador de cabelo para aquecer durante alguns segundos o transístor,
enquanto mede a corrente no colector. Observe o comportamento da corrente IC com o
aumento da temperatura.
E5-Use as equações 6 e 7 para calcular os pontos de saturação (IC(sat))e de corte (VCE(off))
da recta de carga do circuito. Tome nota dos seus valores na Tabela II.
Desenhe a recta de carga do circuito.
Com base nos valores medidos de IC e VCE represente no mesmo gráfico onde desenhou
a recta de carga, o ponto de funcionamento do seu circuito. O que pode dizer acerca do
ponto de funcionamento?
Nota: Deve observar que o ponto de funcionamento se situa praticamente em cima da
recta de carga.
E6- Substitua o seu transístor por um outro (transístor 2) e repita os passos E3 até E6.
Que diferenças encontrou entre os dois transistores?
Nota: Deve observar que não existem diferenças
importantes entre os valores medidos. Um divisor
de tensão bem desenhado torna o ponto de
funcionamento do circuito independente de β.
E7-Usando o transístor 2 desligue a fonte de
alimentação e substitua as resistências R1 e R2 por
um potenciómetro de 10 KΩ, como se representa
na Figura 4.
Guias de laboratório, Electrónica I
47
Universidade do Algarve, FCT, Henrique Leonel Gomes.
E8- Ligue novamente a fonte de alimentação e coloque o multímetro entre os terminais
do colector e emissor. Lentamente varie a resistência do potenciômetro até que VCE
atinja um valor máximo, VCE(off) . Meça o valor correspondente da corrente no colector
IC(off) . Tome nota dos seus valores na Tabela II.
E9- Enquanto mede a corrente no colector do transístor (IC), varie lentamente a
resistência do potenciômetro até a corrente do colector atingir um valor máximo. Este
valor é a corrente de saturação do colector IC(sat). Meça o valor correspondente da tensão
colector-emissor VCE(sat). Tome nota de ambos os valores IC(sat) e de VCE(sat) a Tabela II.
Em saturação VCE(sat) é idealmente zero enquanto no corte IC(off), é zero. Represente
gráficamente os valores de IC e VCE no corte e em saturação no gráfico realizado no
passo E5.
Nota: Deve encontrar que ambos os pontos se situam essencialmente em cima da recta
de carga, e muito próximos dos pontos ideais de corte e saturação.
E10-Varie a resistência do potenciômetro de forma a medir 5 valores para IC e VCE
sobre toda a região activa da recta de carga. Tome nota dos seus valores na Tabela II.
Represente graficamente os seus valores num gráfico.
Resultados
Parâmetro
Valores medidos
Transístor 1
Transístor 2
Valor esperado
VB(V)
VE(V)
VC(V)
VCE(V)
IC(mA)
IE(mA)
β
Tabela I. Comparação entre os valores calculados e experimentais.
Condição
Valores calculados
IC
VCE
Valores medidos
IC
VCE
Corte(E8)
Saturação(E9)
Região activa
(E10)
Tabela II. Resultados para a construção da recta de carga.
Guias de laboratório, Electrónica I
48
Universidade do Algarve, FCT, Henrique Leonel Gomes.
Trabalho
Guias de laboratório, Electrónica I
Data
Professor
49
Universidade do Algarve, FCT, Henrique Leonel Gomes.
Trabalho
Data
Professor
Electrónica I, ano lectivo 2005/2006
Guias de laboratório, Electrónica I
50
Universidade do Algarve, FCT, Henrique Leonel Gomes.
Engenharia de Sistemas e Informática
Engenharia Física Tecnológica
Síntese de um amplificador com
transistores bipolares
Material
Transístores bipolares do tipo npn, 2N3904
Resistências
Condensadores
Objectivo
Neste trabalho vai completar o emissor comum realizado no guia nº 6 e de forma
a ter uma resistência de saída apropriada para alimentar, por exemplo um autifalante.
Este processo exige a introdução de uma configuração em colector comum. O objectivo
é caracterizar os dois andares de forma independente e depois o circuito global em
termos de resistências de entrada e de saída, e do ganho.
Experimental
Figura 1.
E1- Monte novamente o emissor comum representado na Figura 1, e que realizou no
guia nº 6.
E2- Meça a resistência de entrada (Ri), a resistência de saída (Ro), e o ganho em tensão
(Av).
E3- Tome nota da diferença de fase que existe entre o sinal de entrada e o sinal de saída.
E4- Aumente a amplitude do sinal de entrada até observar distorção ou corte no sinal de
saída, explique o seus resultados com base nas tensões de polarização do circuito.
Guias de laboratório, Electrónica I
51
Universidade do Algarve, FCT, Henrique Leonel Gomes.
E5- Projecte um circuito de polarização para transístor numa configuração de colector
comum (use as regras enunciadas nas aulas teóricas).
E6-Meça todas as correntes e tensões de polarização, e compare com os valores
calculados.
E7- Meça a resistência de entrada (Ri), a resistência de saída (Ro), e o ganho em tensão
(Av), da configuração em colector comum. Compare a fase do sinal na entrada e na
saída.
E8- Modifique o circuito (se for caso disso) de forma a que a resistência de saída (Ro)
seja inferior a 30 Ω.
E9- Ligue o andar em emissor comum com o andar em colector comum.
Use um condensador para isolar as componentes dc entre os dois andares.
Meça as características do amplificador, Ri, Ro e Av.
E10- Modifique o circuito global (se for caso disso) de forma a que o seu amplificador
no final obedeça às seguintes especificações:
Ø
Ø
Ø
Ø
Ri>1 KΩ
Ro< 30 Ω
Ganho em tensão (Av) mínimo de –50.
A excursão máxima do sinal na saída não deve ultrapassar os ± 2V de
pico a pico.
Nota: Depois de acabar este trabalho não desmonte o seu circuito.
Guias de laboratório, Electrónica I
52
Um OhmímetroΩnão pode ser
medir a
Zi
+ usado
+Vo
+ para
Sistema
Sistema
impedância
de
entrada
ac
para
pequenos
sinais,
já
que
Um método de medir a resistência
de entrada
no domínio ac. PorZoexemplo, na Fig. 2, uma
Vi
R
Zisensor
Sistema
deentrada
duas
deGomes.
esistência
de provaUniversidade
Rsensor foiem
adicionada
ao
lado
da
paraduas
permitir a determinação de Ii
o ohmímetro
funciona
dcFCT,
domodo
Algarve,
Henrique
Leonel
Ziportas
sando a Lei de Ohm. UmVSosciloscópio
ou multímetro
digital
sensível
pode ser usado
de
duas (DMM)
portas
ara medir a tensão Vi e VS. Ambas as tensões podem ser
pico-a-pico,
pico,
ou
valores rms,
portas
esde que ambos os niveis usem a mesma unidade-padrao.
A impedância de entrada é então
eterminada da seguinte maneira: Medir a impedância de entrada de um circuito.
Para um sistema de duas portas (dois pares de terminais), o lado da entrada (o lado no qual é
geralmente aplicado o sinal) é o da esquerda e o lado da saída (onde a carga é ligada) é o lado da direita.
De facto para muitos sistemas eléctricos e eléctrónicos o fluxo geral é, normalmente, da esquerda para a
direita: para ambos os conjuntos de terminais, a impedância entre cada par de terminais sob condições de
funcionamento normais é muito importante.
Impedância de entrada Zi
Para o lado da entrada, a impedância de entrada Z i, é definida pela lei de Ohm como se segue
Zi =
Vi
Ii
Guias de laboratório, Electrónica I
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Trabalho
Guias de laboratório, Electrónica I
Data
Professor
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Data
Professor
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Trabalho
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Data
Professor
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4007
VQ 1000J
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Electrónica I, ano lectivo 2005/2006
Engenharia de Sistemas e Informática
Engenharia Física Tecnológica
O transístor de efeito de campo
(MOSFET)
Material
Arrays de FETS 4007 ou o VQ 1000J
Resistências
Condensadores
Figura 1. Digrama dos pinos para os integrados que vão ser usados neste trabalho.
Objectivo
O objectivo deste guia é familiarizar-se com as características básicas de
transístores do tipo MOSFET, quer com canal do tipo n quer com canal do tipo p, e
explorar algumas das aplicações práticas deste tipo de dispositivos.
Introdução
O estudo vai incidir principalmente no circuito integrado CD 4007, cuja
configuração de pinos esta representada na Figura 1. O conjunto consiste em 6
transístores, 3 de canal p, e 3 de canal n, interligados entre si de forma a reduzir o
número total de pinos do integrado, mas mantendo alguma flexibilidade. Um ponto
importante a notar é que os pinos 14 e 7, que são respectivamente o substrato de todos
os dispositivos com canal p e de todos os dispositivos de canal n, devem ser ligados de
forma correcta, independentemente do uso que se esta a fazer do dispositivo.
Em concreto, o pino 14 deve ser ligado ao terminal da fonte mais positivo, e o pino
7 ao terminal mais negativo que esta a ser usado. Note também que a tensão entre
os pinos 14 e 7 deve ser limitada a 18 V, caso contrario pode ocorrer uma ruptura
interna. Por razões de segurança, mantenha esta fonte de alimentação abaixo dos
16 V.
Guias de laboratório, Electrónica I
57
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Experimental
E1.0 Verificação da integridade do dispositivo
O objectivo dos pontos seguintes é aprender técnicas para verificar rapidamente
a integridade de dispositivos do tipo MOSFET. Embora alguns dos passos não parecem
claros de imediato, a familiarização com estas técnicas, permitirá mais tarde, quando
trabalhar com circuitos complicados, verificar se o seu integrado está em
funcionamento.
E1.1 Fazendo uso um dos integrados que foi disponibilizado, monte o circuito
representado na Figura 2. A figura está desenhada para o 4007, e os números
representados designam os pinos do integrado. Todos os outros pinos podem ser
deixados flutuantes.
Meça a tensão entre o nó A e a terra (ou seja, a
leitura indicada pelo DVM representado na Figura 2.) Faça uma
estimativa para o valor de Vt.
Use o DVM para medir o Vt dos outros dispositivos
com os pinos 6 e 13 ou 10 e 12 ligados como nó A, e com os
pinos 11 e 14 ligados.
Observe como varia o Vt de dispositivo para dispositivo.
Figura 2. Circuito para medir o Vt(tensão de arranque) de um MOSFET de canal p.
E 2.0 Curvas características
Considere o circuito representado na Figura 3, as tensões VGG e VDD,
representam fontes de alimentação, que neste caso vão ser usadas como fontes de sinal.
As resistências RG e RD, embora não sejam essenciais, torna a realização da experiência
mais segura, ou seja, menos sensível a curto–circuitos. O termo DCM refere-se ao seu
multímetro digital ligado como
amperímetro “Direct Current
Meter (DCM)”. Um segundo
multímetro ou o osciloscópio
pode ser usado para medir as
tensões aos terminais do
dispositivo. O pino 14 deve ser
sempre ligado a tensão mais alta
presente no circuito.
Figura 3. Circuito usado para
medir as características do MOSFET.
E 2.1. Trace as curvas características do MOSFET que está a usar.
E 3.0. O MOSFET como dispositivo amplificador.
Guias de laboratório, Electrónica I
58
Universidade do Algarve, FCT, Henrique Leonel Gomes.
Vamos agora explorar o MOSFET como elemento amplificador. Para isso
vamos usar o circuito representado na Figura 4. Apesar de este circuito não ser uma
configuração apropriada para aplicações práticas, tem a vantagem de ser simples.
A tensão V1 é uma fonte dc que tem a função de ajustar a componente dc de VGS
e, por conseguinte o valor dc de iD. A tensão V2 controla o valor de VDS e, por
conseguinte o valor de ID estabelecido. O condensador C desacopla as tensões dc no nó
B, mas é suficientemente grande por forma a deixar passar os sinais ac com a freqüência
de interesse.
E 3.1 Fazendo uso do n-FET 345 (quer dizer o FET
que está ligados aos pinos 3,4,5), monte o circuito
da Figura 4.
Ligue o substrato à terra e V2 de forma
apropriada. Baixe a amplitude do gerador de sinais
até ao valor mínimo. Com V2=6V, ajuste V1 até
obter VC=5V. Meça V1. (e porque não VB ?).
Figura 4.
E 3.2 Aplique no nó I, uma onda sinusoidal com 1V de pico a pico e com uma
frequência de 1 KHz. Visualize no osciloscópio as tensões nos nós A e C. Use
acoplamento ac no canal do osciloscópio que estiver a observar o nó C. Calcule o ganho
em tensão do nó A para o nó C. Assumindo que AV=gmRD, estime o valor de gm.
E.3.3. Sem sinal de entrada, aumente V2 até 15V e V1 até que VC=5V. Meça V1
Mas não VB!)
E3.4. Aplique uma onda sinusoidal de 1 KHz e 1 V de pico a pico ao nó I,
observe e meça os sinais nos nós A e C. Calcule o ganho em tensão do nó A para o nó
C. Estime o valor de gm.
E 3.5. Mantendo os valores de V1 e V2, mas temporariamente desligados, ligue
em paralelo um segundo transistor, o (678) em paralelo com o (345) que esta a usar.
Ligue novamente as fontes de alimentação V1 e V2 e meça a tensão no nó C.
E3.6. Ajuste V1 até obter novamente 5V.
E 3.7. Aplique 1V pp no nó I e meça o ganho de A para C, e estime gm.
Comente o efeito do aumento das dimensões (largura) do dispositivo no
ganho e no gm.
E 4.0 Distorção.
E 4.1.Usando apenas um transístor montado como na Figura 4, e com V2=15V e
V1 ajustado de forma que VC=5V, aplique uma triangular com 1 KHz ,e 100 mV pp.
E 4.2. Meça as tensões nos nós A e C. Mantenha o canal do osciloscópio ligado ao nó C
em acoplamenteo ac, e o canal ligado ao nó A em posição invertida. Ajuste o ganho do
osciloscópio e as posições para o sinal no nó A de forma que os sinais se sobreponham
exactamente no visor.
Guias de laboratório, Electrónica I
59
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E 4.3. Aumente a amplitude do sinal do gerador de sinais até que as formas de onda
defiram aproximadamente de 10% em amplitude de pico. Observe a amplitude de pico a
pico da forma de onda em C.
E 4.4. Mude o acoplamento do canal que está a observa
r o nó C para modo dc e meça os valores dc de pico da forma de onda triangular.
Trabalho
Guias de laboratório, Electrónica I
Data
Professor
60
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Trabalho
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Data
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Engenharia de Sistemas e Informática
Engenharia Física Tecnológica
Guias de laboratório, Electrónica I
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Amplificadores com MOSFETs
Material
Arrays de FETS 4007
Resistências 2x (10 MΩ), 2x (10KΩ)
Condensadores: C ≥0.1µ F
Texto de apoio
Secções 5.7 e 5.9 do livro Microelectronics circuits, Sedra & Smith
Figura 1. Digrama dos pinos para os integrados que vão ser usados neste trabalho.
Objectivo
Neste guia vai aprender a construir circuitos amplificadores usando transístores
do tipo MOS. Vão ser exemplificadas várias técnicas de polarização, quer usando
elementos discretos externos, quer fazendo uso exclusivo do circuito integrado.
Apesar da ênfase ser colocada na configuração emissor comum, as
configurações colector-comum, e gate-comum serão também exploradas.
E 1.0 Configuração de polarização com realimentação.
Vamo-nos concentrar em uma das muitas topologias de polarização possíveis,
que está representada na Figura1. Esta configuração faz uso de uma resistência de
realimentação. Existem várias razões para usar este circuito, algumas de carácter prático
Guias de laboratório, Electrónica I
63
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outras meramente pedagógicas. Primeiro esta configuração permite ligar o terminal
fonte (“source”) directamente à terra, eliminado assim a necessidade de um condensador
de desacoplamento. Segundo garante o funcionamento do FET na região de saturação, e
em terceiro, introduz o conceito de realimentação, que como veremos mais tarde, é
muito importante para a implementação prática de alguns circuitos.
E1.1 Amplificador discreto em fonte comum
Monte o circuito representado na Figura
2. Os números dentro dos círculos
indicam os pinos do integrado CD 4007.
Comfirme que ligou o substrato
correctamente aos terminais da fonte de
alimentação (pino 14 aos +15V e o pino
7 à terra). Quando necessário, ligue o
gerador de sinais directamente ao nó A.
Figura 2. Configuração de polarização com realimentação.
Com o multímetro meça a tensão de polarização nos nós B e C. Explique porque
são diferentes. Qual seria o seu valor medido se a impedância de entrada do seu
multímetro fosse infinita?
Com a ajuda de um segundo multímetro meça as tensões nos nós B e C
simultaneamente. O que conclui quanto ao valor da resistência do multímetro ligado ao
nó B?
Ligue um segundo transístor em paralelo com o primeiro, ligue os pinos 3 e 6, 5
e 8 (o 4 e 7 já estão ligados). Meça a tensão no nó C.
Aplique no nó A uma onda sinusoidal de 0.2 V de pico a pico com a frequência
de 1 KHz use o osciloscópio para medir as tensões nos nós A, C e D. Porque não no nó
B. Meça o Ganho do nó A para o nó C e D.
Nota: Tente perceber porque os ganhos que encontrou são diferentes? Qual é a
reactância de um condensador de 0.1 µF à frequência de 1KHz ?. para igualar os
ganhos podemos aumentar o valor de C2 ou a frequência de funcionamento (por
exemplo 10 KHz.
E 1.2 Medição da resistência de entrada.
Insira uma resistência de 1MΩ do nó I (gerador de sinais) para o nó A do
amplificador. Repita as medidas anteriores nos nós I, A e D usando uma onda de 10
KHz 0.2 V pp aplicada no nó I. Estime a resistência de entrada do amplificador.
Nota: Considere o valor da resistência de entrada que mediu. Que valor
esperava? O que aconteceu? Aumentou a sua confiança, ou enfraqueceu-a?
E 1.3 Amplificador discreto em dreno comum.
Guias de laboratório, Electrónica I
64
Universidade do Algarve, FCT, Henrique Leonel Gomes.
Monte o circuito representado na
Figura 3. Não se esqueça de ligar o
substrato.
Sem sinal de entrada meça a tensão
de polarização no nó C. Calcule VGS e ID.
Figura 3. Um “source follower”.
Nota: Os circuitos representados nas Figuras 3 e 4 são topologicamente
equivalentes em dc. Sendo assim se os transístores forem os mesmos, seria de supor que
VGS e ID deveriam ter o mesmo valor. Mas não! Porquê? A razão é devida a que o
terminal fonte do transistor já não esta ligado à terra. Como veremos mais adiante, o
ganho do seguidor é mais baixo do que o esperado.
Aplique um sinal sinusoidal de 0.2V pp com a frequência de 10 KHz no nó A, e
meça os nós A,C,e D com o osciloscópio. Calcule o ganho de A para D.
Visualize simultaneamente no osciloscópio os sinais nos nós A e D. Lentamente
aumente a amplitude do sinal de entrada e observe as modificações na forma de onda de
saída e no ganho. Tome nota dos valores de tensão a que ocorrem as modificações
interessantes.
Repita o passo anterior usando uma onda triangular e observe os nós A e C (em
vez de D). Note que fazendo a medida no nó C elimina o desvio do sinal no nó D que
origina distorção devido à incapacidade do condensador transmitir dc.
Nota: Considere os três tipos de distorção, uma devido as características do
dispositivo que variam com o quadrado de VGS e as outras que são devidas ao
transístor entrar na região linear e na região de corte.
.E 2.0 “MOS loaded amplifier”
Monte o circuito representado na Figura 4.
Apesar da resistência RG2 não ser necessária vai
permitir mais adiante fazer um melhoramento
considerável.
Figura 4. “MOS loaded amplifier”
E 2.1 Medições simples
• Sem sinal na entrada, meça a tensão dc
no nó C. Observe que devido ao alto
valor de RG, as medidas em E e B perturbam consideravelmente o
arranjo da polarização.
Note que a tensão no nó C não é metade da fonte de alimentação. Isto apesar de
e assumir que os transístores Q1 e Q2 são idênticos.
• Aplique uma onda triangular 0.2Vpp com a frequência de 10 KHZ na
entrada A. Meça o sinal nos pontos A e D . Estime o valor do ganho em
tensão.
Guias de laboratório, Electrónica I
65
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Ajustando os comandos do osciloscópio sobreponha no visor as formas
de onda que observa em A e D.
• Lentamente aumenta a amplitude do sinal de entrada até observar
distorção, primeiro num dos picos e depois no outro pico. Para cada um
destas distorções tome nota da tensão no ponto C (valor completo
incluindo o valor dc).
• Baixe lentamente o valor da fonte de alimentação de +15V e observe os
efeitos que o valor da fonte de alimentação tem quer no ganho quer na
distorção.
Nota: Identifique duas razões que justifiquem o ganho relativamente pequeno do
seu amplificador. Quais os aspectos interessantes da distorção que observou? Qual é a
maior amplitude de sinal que pode colocar à entrada sem causar distorção na saída?
•
Desligue a fonte de alimentação e ligue um segundo transístor em
paralelo com o transístor Q1. Para fazer isto ligue o pino 3 ao 6, o pino 5
ao 8, note que o 4 e 7 já estão ligados.
• Volte a ligar a fonte de alimentação e repita as observações anteriores,
nomeadamente meça a tensão no ponto C, o ganho em tensão e a
distorção.
Nota: Note o efeito que as dimensões do dispositivo tem no controlo do ganho.
Infelizmente duplicar as dimensões do dispositivo não aumenta o ganho
significativamente. Aumenta de quanto?
•
E 2.2 “Bootstrapped Load”
Modifique o circuito da Figura 4
adicionando um condensador C3=0.1µF entre os
nós C e E de forma a obter o circuito representado
na Figura 5. O resultado é o circuito designado por
“Bootstrapped Load”
Repita todas as medições básicas realizadas
em E 2.1
Nota: Comente no efeito geral desta
modificação. Qual é o novo ganho em tensão?
Comente as diferenças que observa agora na
distorção.
Figura 5. “Bootstrapped Load”.
Trabalho
Guias de laboratório, Electrónica I
Data
Professor
66
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Trabalho
Guias de laboratório, Electrónica I
Data
Professor
67
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Electrónica I, ano lectivo 2005/2006
Engenharia de Sistemas e Informática
Engenharia Física Tecnológica
O amplificador operacional
Material
Amplificadores operacionais 741 ou 358
Guias de laboratório, Electrónica I
68
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Resistências
Condensadores
Fotodíodo
Objectivo
Esta aula tem por objectivo a familiarização com a montagem de circuitos usando
amplificadores operacionais vulgarmente chamados amp-ops ou em inglês “op-amps”.
Em concreto pretende-se atingir os seguintes objectivos:
Explicar o funcionamento de um amplificador diferencial
Saber interpretar as folhas de especificação de um amplificador operacional
Analisar as configurações de amplificação
Analisar os efeitos de realimentação negativa
Reconhecer as limitações dos amp-ops.
Introdução
Nos guias anteriores estudou um conjunto de dispositivos discretos, por exemplo
díodos e transístores. Estes dispositivos estavam encapsulados de forma individual.
Vamos agora lidar com circuitos integrados. Neste tipo de circuitos vários
componentes, (transístores, díodos e condensadores) são fabricados numa bolacha de
silício e encapsulados numa caixa. Neste guia vamos tratar este circuito completo como
um único circuito, ou seja, vamos ser ter apenas uma visão externa em termos de
entrada e saída, e não nos vamos preocupar com os detalhes internos do circuito.
O símbolo usado para um amplificador operacional está representado na Figura
1. Tem dois terminais de entrada, a chamada entrada inversora (-), a entrada não
inversora (+), e um terminal de saída.
Figura 1. Símbolo para um amplificador operacional.
Um amplificador operacional típico necessita de duas fontes dc de alimentação, uma
positiva e outra negativa como se representa na Figura 1. Frequentemente as fontes de
alimentação não são representadas nos diagramas esquemáticos.
A Figura 2 ilustra, usando duas baterias de 9 Volts a forma como se deve
fazer as ligações de forma a obter uma alimentação de ± 9V. Os amplificadores
operacionais geralmente usam tensões de alimentação no intervalo ± 5 V a ± 15 V em
relação à terra.
Guias de laboratório, Electrónica I
69
Universidade do Algarve, FCT, Henrique Leonel Gomes.
Figura 2. Como obter uma fonte de tensão de ± 9 V em relação à terra.
Os tipos de encapsulamento mais frequentes para o 741, estão representados na
Figura 3.
Figura 3. A configuração de pinos para o 741 e o tipos de encapsualmento mais
frequentes.
Experimental
Antes de começar a montar o seu circuito com um amplificador operacional
deve ter presentes dois pontos importantes:
-Primeiro, como é colocado o amplificador na “breadbord”?
A Figura 3 ilustra a forma como se deve montar o amplificador
Guias de laboratório, Electrónica I
70
10 KΩ
+15 V
-15 V
+15VV
-15
Out
Universidade do Algarve, FCT, Henrique Leonel Gomes.
Figura 3. Colocação de um circuito integrado na placa de prototipagem.
- segundo os amplificadores necessitam de ser alimentados, normalmente com
± 15V. Lembramos isto porque muitos dos diagramas de circuitos não representam
explicitamente as fontes de alimentação.
- Como qualquer outro circuito integrado, os “amp-ops” são dispositivos
delicados, que devem ser usados com cuidado. Use sempre condensadores
de 0.1 µ F para fazer o ”bypass“ das fontes de alimentação, e desligue
sempre a fonte de alimentação antes de realizar qualquer alteração no
circuito
E1- Monte o circuito representado na Figura 4. Tente obter 0 V à saída do
potenciometro. Deixe-se impressionar pelo que observa à medida que tenta obter os 0
Volts. Verifique se o comportamento observado está de acordo com ganho do
amplificador dado nas folhas de especificações.
Figura 4. Teste de um operacional em malha aberta.
Guias de laboratório, Electrónica I
71
R1=1K Ω
-15 V Vin1Vin
. 2Vin.
R1=100KKΩΩ
. R1=100
+15 V
2
32
VK VΩ
R+15
-15
2=10
Vout.
Vout.
Universidade do Algarve, FCT, 3Henrique Leonel Gomes.
-15 V
-15 V
E2- Configuração inversora.
E2a- Monte o circuito representado na Figura 5.
Figura 5. Configuração inversora.
E2b-Aplique à entrada, um sinal sinusoidal com amplitude de 200 mV e
frequência de 1 KHz. Meça o ganho em tensão (Av). Compare com o valor
obtido teoricamente.
E2c- Aumente a amplitude do sinal na entrada, que pode dizer sobre
máxima excursão do sinal na saída. E acerca da linearidade do sinal na saída?
Para realizar este teste aumente a frequência do sinal de entrada.
E2d- Tente medir a impedância de saída do seu circuito.
E3- Amplificador somador.
E3a- Monte o amplificador somador representado na Figura 6. Use
resistências de 100 KΩ.
Figura 6. Amplificador somador.
Guias de laboratório, Electrónica I
72
Luz
C -15
V
Vin.
R1
Fotodíodo
3
2
-15 R2
V
Vout.
Universidade do Algarve, FCT, Henrique
Leonel
3
-15Gomes.
V
Use o seu gerador de sinais e uma fonte d.c. variável para criar tensões de
entrada diferentes. Note que pode implementar uma fonte de tensão variável
usando um potenciômetro (ver Figura 6).
E3b- escolha dois sinais, e meça a tensão na saída e na entrada inversora.
Os resultados que obteve estão de acordo com o que esperava teoricamente.
E3c- Substitua uma das resistências de entrada de 100 KΩ por uma
resistência de 50 KΩ, e meça novamente a tensão na saída. Explique como esta
modificação altera o valor de tensão na saída.
E4- Configuração não inversora.
E4a-Monte o amplificador não inversor representado na Figura 7.
Escolha os valores de resistências R1, R2 e do condensador C, para obter um
ganho em tensão de aproximadamente 10 V/V e uma frequência de corte de
aproximadamente de 100 Hz.
Figura 7. Amplificador não inversor.
E5- Conversor de corrente para tensão, aplicação com fotodíodos.
Figura 8. Conversor de corrente para tensão.
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E6- Características não ideais. Medição de VOS IP, IN. e PSRR
Nas aulas teóricas começou por aprender as características ideais de um amplificador
operacional. Resumidamente:
1- Ganho: infinito
2- Impedância de entrada: infinita
3- Impedância de saída: zero
4- Largura de banda: infinita
5- Tensão na saída é nula quando as tensões nas duas entradas forem iguais.
6- As correntes que entram dentro do amplificador são extremamente pequenas.
Figura 9. Características ideais de um amplificador operacional.
Na prática os amplificadores não têm estas características.
E6a- Monte o circuito representado na Figura 10 a. Meça a saída com um voltímetro em
modo DC com a escala de maior sensibilidade que tiver disponível (10 µ V ou melhor).
Dado que o amp-op esta a funcionar como um seguidor de tensão o valor da tensão na
saída é simplesmente a tensão de offset VOS. Compare o valor que mediu com o valor
dado nas folhas de especificação do 741. Comente o resultado.
Nota: devido a eventuais variações na temperatura do integrado (thermal drift), os
dígitos menos significativos do seu multímetro irão flutuar. Decida como interpretar as
suas leituras e justifique a sua decisão.
E6b- Desligue a alimentação e insira uma resistência de 1 MΩ como mostra a figura
10b. Esta resistência tem por objectivo causar uma queda de tensão Vp=-RIP devido à
corrente IP que esta a fluir no terminal não inversor, de forma que V1=VOS-RIP, de
acordo com o principio da sobreposição. Meça V1, e calcule IP=(VOS-V1)R, com VOS
encontrado no passo E6a. Para obter resultados mais exactos meça R com o
Ohmimetro.
E6d Desligue a fonte de alimentação e ligue uma resistência de 1 MΩ como
representado na Figura 10c. Recorrendo a argumentos simelhantes aos referidos nas
alíneas anteriores, a corrente IN que na entrada não inversora vai causar uma tensão
V2=VOS+RIN. Ligue a alimentação e meça V2, e calcule IN=(V2-VOS)/R, use o valor de
VOS calculado no passo E6a.
E6e- Use as equações IB=(IP+IN)/2 e IOS=IP-IN, para calcular IB e IOS. Compare os seus
valores com os valores referidos nas folhas de especificação do 741.
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