UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA
Propaganda
UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE FÍSICA – DFIS FÍSICA EXPERIMENTAL III EXPERIÊNCIA 5 TRANSISTORES 1. OBJETIVOS 1.1. Objetivo Geral Familiarizar os acadêmicos com transistores semicondutores. 1.2. Objetivos Específicos a) Apresentar aos acadêmicos circuitos elétricos com transistores. b) Apresentar aos acadêmicos a curva característica de um transistor trabalhando em regime de corte. c) Apresentar aos acadêmicos a curva característica de um transistor trabalhando em regime de amplificação. d) Determinar o ganho de um transistor. e) Apresentar aos acadêmicos a curva característica de um transistor trabalhando em regime de saturação. 2. MATERIAIS Fonte de tensão. Dois multímetros. Resistores elétricos com R = 68 , R = 470 e R = 10 k. Potenciômetro com RMAX = 250 . Transistor NPN BC337. Chave conectora. Mesa de testes. Fios elétricos. 3. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Reforçamos aqui os cuidados que devem ser tomados na utilização de multímetros. Um cuidado preliminar na utilização de um multímetro consiste na escolha da escala adequada para a leitura. Quando o valor máximo da leitura é conhecido, tal escolha é imediata. Quando isto não for possível, colocamos a chave seletora no fundo de escala máximo. A seguir, quando for o caso, reduzimos o fundo de escala até obtermos uma deflexão suficiente do ponteiro. Um cuidado adicional que devemos tomar é com o uso correto da polaridade do multímetro. Devemos sempre nos lembrar de que o ponto “terra” do multímetro deve ser ligado no ponto do circuito onde o potencial elétrico é menor. Além destes cuidados, devemos ter em mente que o transistor com o qual estamos trabalhando não suporta uma diferença de potencial superior a 3,0 V. Desta forma, cuidado adicional tem que ser tomado para que esta precaução seja atendida. Por fim, devemos levar em conta que o transistor tem três junções. Estas junções são UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE FÍSICA – DFIS chamadas de emissor (E), base (B) e coletor (C). Neste sentido deve ser respeitada a polaridade do transistor, como indicado na Figura 1, na Figura 2 e na Figura 3. Neste experimento, vamos trabalhar com o transistor na configuração conhecida como base comum. Na representação do transistor da Figura 1, Figura 2 e Figura 3 a base é indicada pelo traço vertical, enquanto que a seta indica a posição do emissor; desta forma, o terminal que resta é o coletor. É fundamental respeitar as ligações indicadas na Figura 1, Figura 2 e Figura 3 deste roteiro, sob pena de danificar o dispositivo. Neste experimento você irá trabalhar novamente com um potenciômetro. Como já visto no experimento anterior, trata-se de um resistor com resistência variável. É um componente com muitas aplicações em circuitos elétricos. Recomenda-se que você desligue o multímetro enquanto não estiver usando-o, para economizar sua bateria. Lembre-se que muitos alunos usam os mesmos equipamentos que você, então preserve os equipamentos do laboratório! Caso disponha de um notebook no momento das medições, você pode simular os circuitos propostos através de um software. Isso pode ajudá-lo a encontrar e resolver erros de manuseio ou de montagem do circuito. Um software recomendado é o Circuit Maker, disponível em versões gratuitas para estudantes. Demais podem ser encontrados facilmente pesquisando na internet. 3.1. Medida da Corrente Elétrica na Base (IB) em Função da Diferença de Potencial aplicada entre a Base e o Emissor (VBE) Para a realização desta parte do experimento, siga os procedimentos abaixo. a) Monte o circuito elétrico da Figura 1. Mantenha o ponteiro do potenciômetro voltado para a esquerda e mantenha a chave conectora na posição aberta. b) Inicialmente conecte o voltímetro para medir a diferença de potencial da fonte de tensão. Ajuste esta fonte de tensão para um valor igual a 3,00 V. Anote nos Resultados de seu relatório o valor medido para esta tensão elétrica, não se esquecendo de escrever a medida com seu respectivo erro e unidade. Retorne o voltímetro para a medida a diferença de potencial elétrico entre a base e o emissor e escolha para ela o fundo de escala de 2 V. Feche então a chave conectora. c) Com o amperímetro com fundo de escala de 200 A gire suavemente o botão do potenciômetro de forma a variar a diferença de potencial aplicada entre a base (B) e o emissor (E) do transistor; denominaremos esta diferença de potencial de VBE. Anote o valor da diferença de potencial elétrica na qual corrente elétrica comece a fluir pela base do transistor. Não se esqueça de anotar a medida do erro correspondente a esta medida. Apresente este valor nos Resultados de seu relatório. d) Gire suavemente o botão do potenciômetro de forma a variar a diferença de potencial elétrica aplicada entre a base e o emissor VBE. Ajuste o botão do potenciômetro tal que a diferença de potencial medida sobre o diodo seja igual a 0,300 V. Não se esqueça de anotar a medida do erro correspondente a esta medida. e) Agora com o amperímetro no fundo de escala de 20 mA gire suavemente o botão do potenciômetro de forma a variar VBE. Meça o correspondente valor para a corrente elétrica IB. Não se esqueça de anotar a medida do erro correspondente a esta medida. f) Repita o mesmo procedimento acima para intervalos de diferença de potencial de 0,010 V, até 0,720 V. Não se esqueça de anotar a medida do erro correspondente a esta medida. UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE FÍSICA – DFIS g) Construa uma tabela em seu caderno de laboratório com as medidas da tensão e da corrente elétrica, ambas as medidas como descrito acima. Apresente esta tabela nos Resultados em seu relatório. Não se esqueça de escrever as medidas com seu respectivo erro e unidade. Figura 1: Esquema do circuito elétrico para medidas da corrente elétrica da base IB em função da diferença de potencial entre a base e o emissor VBE. 3.2. Medida da Corrente Elétrica no Coletor (IC) em Função da Corrente Elétrica da Base (IB) Para a realização desta parte do experimento, siga os procedimentos abaixo. a) Monte o circuito elétrico da Figura 2. Mantenha o ponteiro do potenciômetro voltado para a esquerda e mantenha a chave conectora na posição aberta. b) Inicialmente conecte o voltímetro para medir a diferença de potencial da fonte de tensão. Ajuste esta fonte de tensão para um valor igual a 3,00 V. Anote nos Resultados de seu relatório o valor medido para esta tensão elétrica, não se esquecendo de escrever a medida com seu respectivo erro e unidade. Feche então a chave conectora. c) Escolha o fundo de escala do amperímetro conectado entre a base (B) e o potenciômetro como sendo 200 A; este amperímetro mede a corrente elétrica na base IB. Gire suavemente o botão do potenciômetro de forma a variar esta corrente elétrica IB. Ajuste o botão do potenciômetro tal que IB seja igual a 2,0 A. Não se esqueça de anotar a medida do erro correspondente a esta medida. d) Escolha o fundo de escala do amperímetro conectado ao coletor (C) como sendo 20 mA; este amperímetro mede da corrente elétrica no coletor IC. Com a corrente elétrica IB = 2,0 A meça o correspondente valor para a corrente elétrica IC. Não se esqueça de anotar a medida do erro correspondente a esta medida. e) Repita o mesmo procedimento acima para intervalos de IB iguais a 2,0 A até 30,0 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE FÍSICA – DFIS A. Não se esqueça de anotar a medida do erro correspondente a esta medida. f) Construa uma tabela em seu caderno de laboratório com as medidas de IB e IC, ambas as medidas como descrito acima. Apresente esta tabela nos Resultados em seu relatório. Não se esqueça de escrever a medida com seu respectivo erro e unidade. Figura 2: Esquema do circuito elétrico para medidas da corrente elétrica do coletor IC em função da corrente elétrica da base IB. 3.3. Medida da Corrente Elétrica no Coletor (IC) em Função da Diferença de Potencial aplicada entre o Coletor e o Emissor (VCE) Para a realização desta parte do experimento, siga os procedimentos abaixo. a) Monte o circuito elétrico da Figura 3. Mantenha o ponteiro do potenciômetro voltado para a esquerda e mantenha a chave conectora na posição aberta. b) Inicialmente conecte o voltímetro para medir a diferença de potencial da fonte de tensão. Ajuste esta fonte de tensão para um valor igual a 3,00 V. Anote nos Resultados de seu relatório o valor medido para esta tensão elétrica, não se esquecendo de escrever a medida com seu respectivo erro e unidade. Feche então a chave conectora. c) Com o amperímetro com fundo de escala de 20 mA gire suavemente o botão do potenciômetro de forma a variar a diferença de potencial aplicada entre o coletor (C) e o emissor (E) do transistor; denominaremos esta diferença de potencial de VCE. Ajuste o botão do potenciômetro tal que VBE seja igual a 0,100 V. Não se esqueça de anotar a medida do erro correspondente a esta medida. f) Repita o mesmo procedimento acima para intervalos de diferença de potencial de 0,100 V até 2,50 V. Não se esqueça de anotar a medida do erro correspondente a esta medida. g) Construa uma tabela em seu caderno de laboratório com as medidas de VCE e de IC, ambas as medidas como descrito acima. Apresente esta tabela nos Resultados em seu relatório. Não se esqueça de escrever a medida com seu respectivo erro e unidade. UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE FÍSICA – DFIS Figura 3: Esquema do circuito elétrico para medidas da corrente elétrica do coletor Ic em função da diferença de potencial entre o coletor e o emissor VCE. 4. TRATAMENTO DOS DADOS Esta experiência envolve medidas elétricas de corrente elétrica e diferença de potencial elétrica. Desta forma, o tratamento dos dados tem que levar em conta os valores dos erros associados a cada medida, bem como a sua propagação. 4.1. Cálculo da Resistência Elétrica de Entrada do Transistor A partir dos dados da tabela construída com as medidas da corrente elétrica na base IB e da diferença de potencial elétrico entre a base e o emissor VBE faça um gráfico em escala linear de IB em função de VBE. Apresente este gráfico no Tratamento de Dados em seu relatório. A partir do gráfico construído, identifique a partir de qual diferença de potencial VBE é observada uma corrente elétrica mensurável (diferente de zero) na base do transistor. Registre o valor desta diferença de potencial no Tratamento de Dados de seu relatório. Use a relação constitutiva entre diferença de potencial elétrica e corrente elétrica para calcular a resistência elétrica de entrada do transistor. Para este cálculo utilize a equação mostrada abaixo. RIN VBE IB 1 Com os dados obtidos experimentalmente construa uma tabela com VBE, IB além dos valores de RIN calculados usando a Equação 1. Apresente esta tabela no Tratamento de Dados de seu relatório. Calcule os valores de RIN para diferenças de potencial elétrico superiores àquele no qual a corrente elétrica da base seja diferente de zero. Nesta tabela não se esqueça de apresentar também os UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE FÍSICA – DFIS respectivos valores dos erros associados a este valor de resistência elétrica. Os erros propagados RIN são determinados a partir da Equação 1 e calculados usando-se a equação mostrada abaixo. V I RIN RIN BE B IB VBE 2 Demonstre a Equação 2 no Anexo de seu relatório. 4.2. Cálculo do Fator de Amplificação do Transistor A partir dos dados da tabela construída com as medidas da corrente elétrica no coletor IC em função da corrente elétrica na base IB e usando um software adequado, gere um gráfico em escala linear de IC em função de IB (ICIB). Deixe claro em seu relatório qual foi o software utilizado para gerar o gráfico. Apresente este gráfico com título, título dos eixos (e respectivas unidades) e escalas adequadas, no Tratamento de Dados de seu relatório. Observe que o gráfico resultante é linear, ou seja, podemos expressar a relação entre IC e IB em termos da equação mostrada abaixo. IC h I B 3 Na Equação 3 a constante h é o chamado fator de amplificação ou ganho do transistor. A partir da Equação 3 passamos então para a etapa de determinar o valor do ganho do transistor h. Como vemos a partir do gráfico obtido, o ganho do transistor h é constante e será igual ao coeficiente angular da reta obtida. Além disso, o coeficiente linear deve ser igual a zero. Esta observação é muito importante na hora da construção do gráfico. A linha reta deve necessariamente passar pela origem, isto é, pelo ponto IC = 0 e IB = 0. É possível então determinar o valor de h calculando este coeficiente angular. Lembramos novamente que todo software usado em construção de gráficos apresenta uma ferramenta que fornece a equação que rege o fenômeno em questão. Use esta ferramenta do software escolhido e registre esta equação no Tratamento de Dados de seu relatório. Observe que fazemos as medidas da corrente no coletor IC e da corrente na base IB em escalas diferentes; IC é medida na escala mA enquanto que IB é medida na escala A. Para que a equação obtida possa ser mais bem analisada é conveniente lançar IC e IB na planilha de dados com a mesma unidade, seja em mA ou A. Esta equação deve apresentar necessariamente a estrutura daquela mostrada na Equação 3. Relembramos aqui aquilo já expresso acima: a reta deve necessariamente passar pela origem, isto é, pelo ponto IC = 0 e IB = 0; no software utilizado use uma ferramenta do tipo “Definir intersecção”, e neste caso escolha o valor (0,0) para esta intersecção. Com a equação fornecida pelo software, determina-se diretamente o valor do ganho do transistor h. Também é possível determinar o valor do erro associado a este ganho h. Para isto, usa-se a Equação 3, e a partir dela, determinamos o erro do ganho do transistor h através da expressão mostrada abaixo. I I h h C B IB IC 4 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE FÍSICA – DFIS Para determinar o valor numérico deste erro h, é necessário a escolha de um ponto P(IC,IB) que passa pela reta com os respectivos erros experimentais de corrente elétrica no coletor IC e corrente elétrica na base IB. Embora a escolha deste ponto possa ser arbitrária, ela deve ser feita no sentido de minimizar a propagação de erros. Desta forma, sugere-se fortemente que este ponto esteja o mais afastado possível da origem (IC = 0 e IB = 0). Deixe claro no Tratamento de Dados de seu relatório qual foi o ponto usado para a determinação do erro do ganho do transistor. Com a escolha deste ponto P(IC,IB), use a Equação 4 e calcule o valor do erro do ganho do transistor h. Apresente então no Tratamento de Dados de seu relatório o valor do ganho do transistor calculado usando a Equação 3, bem como o valor do seu respectivo erro, calculado usando a Equação 4. Por fim, demonstre a Equação 4 no Anexo de seu relatório. Por fim, com base na Equação 1 escreva no Tratamento de Dados de seu relatório a expressão para IC(IB), levando em conta o valor do ganho do transistor h determinado experimentalmente, bem como o seu respectivo erro. 4.3. Cálculo da Resistência Elétrica de Saída do Transistor A partir dos dados da tabela construída com as medidas da corrente elétrica no coletor IC em função da diferença de potencial elétrico entre o coletor e o emissor VCE faça um gráfico em escala linear de IC em função de VCE. Apresente este gráfico no Tratamento de Dados em seu relatório. A partir do gráfico construído, identifique a partir de qual diferença de potencial elétrica a corrente elétrica no coletor deixa de crescer de maneira significativa e começa a se estabilizar. Esta corrente elétrica é conhecida como corrente elétrica de saturação do transistor. Registre o valor da diferença de potencial na qual ocorre esta saturação, bem como o valor da corrente elétrica de saturação no coletor no Tratamento de Dados de seu relatório. Use a relação constitutiva entre diferença de potencial elétrica e corrente elétrica para calcular a resistência elétrica de saída do transistor. Para este cálculo utilize a equação mostrada abaixo. ROUT VCE IC 7 Com os dados obtidos experimentalmente construa uma tabela com VCE, IC, além dos valores de ROUT calculados usando a Equação 7. Apresente esta tabela no Tratamento de Dados de seu relatório. Nesta tabela não se esqueça de apresentar também os respectivos valores dos erros associados a este valor de resistência elétrica. Os erros propagados ROUT são determinados a partir da Equação 7 e calculados usando-se a equação mostrada abaixo. V I ROUT ROUT CE C IC VCE Demonstre a Equação 8 no Anexo de seu relatório. 8 UNIVERSIDADE DO ESTADO DE SANTA CATARINA - UDESC CENTRO DE CIÊNCIAS TECNOLÓGICAS – CCT DEPARTAMENTO DE FÍSICA – DFIS 5. DISCUSSÃO Na seção Discussão dos Resultados procure fazer uma análise dos resultados obtidos. Discuta os resultados frente às expectativas oriundas do modelo teórico considerado. Discuta também as principais fontes de erro que devem ser levadas em conta neste experimento. Lembre-se aqui, que mais importante do que os equipamentos usados no experimento, é a forma como ele foi conduzido. 5.1. Cálculo da Resistência Entrada do Transistor Compare o comportamento da resistência de entrada do transistor RIN em função da diferença de potencial entre a base e o emissor. A qual conclusão é possível chegar a partir deste comportamento? 5.2. Cálculo do Fator de Amplificação ou Ganho do Transistor No cálculo do ganho do transistor calcule o erro relativo h/h. Interprete o resultado deste cálculo. Considere que o valor esperado para este ganho seja h = 600. Calcule o erro percentual do valor obtido a partir dos seus dados experimentais em relação ao valor esperado. 5.3. Cálculo da Resistência Elétrica de Saída do Transistor Compare o comportamento da resistência de saída do transistor ROUT em função da diferença de potencial entre o coletor e o emissor. A qual conclusão é possível chegar a partir deste comportamento? 6. BIBLIOGRAFIA 6.1. HALLIDAY, D. e RESNICK, R. – Fundamentos da Física – Volume 4 – 4a Edição; Capítulo 27 (Condução de Eletricidade nos Sólidos); Livros Técnicos e Científicos Editora S.A – 1998. 6.2. SEARS, F. S.; ZEMANSKI, M. W.; YOUNG, H. D.; FREEDMAN, R. A. – Física IV (Óptica e Física Moderna) – 1a Edição – Capítulo 44 (Moléculas e Matéria Condensada) – Addison Wesley – 2004. 6.3. VÁRIOS – Apostila de Física Experimental – Setor de Cópias do CCT-UDESC.
