Estes valores devem ser rigorosamente

INSTITUTO SUPERIOR DE CIÊNCIAS
DO TRABALHO E DA EMPRESA
Guia do 2º Laboratório
FUNDAMENTOS DE ELECTRÓNICA
TRANSÍSTOR DE JUNÇÃO BIPOLAR
Objectivos e regras de funcionamento:
Com este trabalho pretende-se que o aluno consolide os conhecimentos teóricos
adquiridos relativos ao funcionamento e às principais montagens do transístor de
junção bipolar (TJB).
O trabalho pressupõe a leitura prévia deste enunciado. A simulação e a subsequente
obtenção e interpretação de resultados têm lugar no laboratório, acompanhadas pelo
docente para esclarecimento das dúvidas.
TRANSÍSTOR DE JUNÇÃO BIPOLAR
o Análise do comportamento eléctrico do TJB em regime estacionário.
o Esboço da influência da temperatura nas características eléctricas do dispositivo.
o Estudo das montagens básicas em que o TJB é usado como amplificador.
Montagem de emissor comum
Montagem de colector comum
Montagem de base comum
Formulário
Equações de Ebers-Moll

e

 1  

e

 1
I E  I ES evBE /VT  1   R I CS evCE /VT  1
I C  I CS
vCE / VT
I
F ES
vBE / VT
Aproximações
 R I CS   F I ES  I S
IC  IS  e
V BE
VT
Definições
F 
F
1F
 F 
F
1 F
VT 
kT
q
T  300 K
 25mV
R 
R
1R
 R 
(Zona Activa)
F 
IC
IB
R
1 R
(Zona Activa Inversa)
R 
V CBC
te.
IC  F I B
IE
IB
V EB C
te.
I E  R I B
Conversão de Graus em Kelvin
K  273.15  Cº
Convenções
1. Grandeza em Maiúsculas – Índice em minúsculas
Componente DC ou seja, o ponto de funcionamento em repouso (PFR),
exemplo: Ic, Ib, Vo
2. Grandeza em minúsculas – Índice em minúsculas
Pequenos sinais normalmente correspondendo à componente AC, exemplo:
ic(t), ib(t), vo(t), vi(t)
3. Grandeza em minúsculas – Índice em Maiúsculas
Soma do PFR com o pequeno sinal, exemplo:
iC(t), iB(t), vI(t)
Temos então que:
iC(t)=Ic+ic(t);
iB(t)=Ib+ib(t);
vO(t)=Vo+vo(t), etc
Software

Electronics workbench, Multisim
Simulação em Multisim

Em “Ouptut Variables” para obter os valores de corrente Ic ou Ie ou Ib nos
transístores ou o valor de corrente nas resistências pode utilizar as opções:
More Options; Add device/model parameters. Para obter a corrente num dado
ponto pode adicionar uma resistência de impedância nula nesse troço e
representar a corrente nessa resistência.

Pode usar a análise DC sweep para traçar as características eléctricas do TJB.

A análise parameter sweep permite efectuar uma análise DC sweep no caso
em que se varia as amplitudes de fontes do circuito, mas é mais flexível,
nomeadamente permite variações segundo uma escala logarítmica, e variar
outros parâmetros.

Sempre que necessário deve alterar as escalas ou a gama de valores
observados nos resultados das simulações de forma que sejam visíveis os
fenómenos pretendidos, de acordo com a matéria leccionada nas aulas
teóricas.
Parâmetros e dimensionamento (n = #grupo - cuidado não contar com o turno!)
O transístor a utilizar é o n-ésimo da lista do Multisim
O valor da resistência R é dado por 10k  nº k .
Estes valores devem ser rigorosamente respeitados com excepção do
Transístor. Para este não é fundamental que seja escolhido exactamente
o transístor indicado.
Procedimento
Sugestão: Comece por abrir um documento de Word e vá colocando os
resultados que for obtendo. Assim adianta trabalho para o relatório. Pode
guardar os resultados na sua área de trabalho de FE, e depois passar para a área
no ISCTE, para que lhes possa aceder fora do período de aulas. Para colocar as
figuras do Osciloscópio faça Alt->Print Screen para copiar o conteúdo de uma
janela.
I - Análise do comportamento eléctrico do TJB em regime estacionário
XM M 1
R
Vc
10 V
Vo
Q 1
Ib
Figura 1. Extracção das características do TJB
a partir da montagem de emissor comum.
Monte o esquema do circuito anterior.
1. Trace a característica de variação de Vo com a corrente na base Ib. Para tal utilize
o comando DC Sweep do Multisim de forma a variar a corrente fornecida pela
fonte de corrente Ib. Escolha o valor inicial e final da corrente de forma a
evidenciar as diferentes zonas de funcionamento do transístor (zona activa e zona
de saturação), e o passo de forma a conseguir mais de 30 pontos na característica.
Além disso construa uma tabela com quatro valores da corrente na base e os
correspondentes valores da tensão Vo. Para R utilize o valor definido em
parâmetros de dimensionamento, que varia de grupo para grupo.
2. Trace a curva característica Ic de Vce com Ib constante, para diferentes valores de
Ib. Para tal remova a resistência R donde resulta Vce será igual a Vc e varie este
ultimo. Utilize mais uma vez o comando DC Sweep. Para variar o valor de Vce
deve colocar esta como primeira fonte. Para fazer o gráfico para diferentes valores
de Ib coloque esta como segunda fonte. Faça dois gráficos, um para Vce positivo e
um para Vce negativo, e comente as diferenças observadas. Indique as diferentes
zonas de funcionamento do BJT.
3. Represente graficamente F(IC) e R(IC). Para tal deve utilizar a opção DC Sweep
para obter um conjunto de valores de Ic e Ib, calculando   Ic / Ib utilizando
outro programa de cálculo (pode exportar para o Excel utilizando um botão na
janela de gráficos do MultiSim). Utilize uma escala logarítmica para a corrente, de
forma a percorrer uma gama elevada de valores. Para tal pode utilizar a opção
parameter sweep.
4. Calcule os valores de F, R para Ic=0.1 mA.
5. Utiliza a característica Ic(Vce) para determinar o valor da tensão de Early.
Represente esta no gráfico referido.
Esboço da influência da temperatura nas características eléctricas do dispositivo
6. Represente e comente o impacto da variação da temperatura numa das
características I C VCE  I B C te. para os seguintes valores T=0ºC e T=100ºC. (Nota:
Algumas vezes a simulação dá erros! Mas o temperature sweep em geral
funciona!)
II - Análise do transístor de junção bipolar quando utilizado como amplificador
Montagem de emissor comum
XSC1
G
Rc
Rp
Vcc
Rb
A
B
T
Vo
C1
Q2
100ohm
9V
0.1uF
vi
Re
0ohm
1mV 1000Hz 0Deg
Figura 2. Montagem de emissor comum.
Monte o esquema do circuito anterior.
1. No circuito representado a fonte de tensão Vcc fornece a energia para o
funcionamento do circuito. A fonte de tensão, vi representa um sinal de entrada no
circuito com uma amplitude de 10mV e uma frequência de 1Khz. Assuma Re =
0. Determine o valor de Rp e de Rc de tal forma o circuito funcione na zona
activa directa com Ic=100A e o ganho de tensão do circuito para pequenos sinais
seja de 80 vezes. Utilize o valor de F obtido na alínea I.3, com Ic=100A.
2. Determine o ponto de funcionamento em repouso através da opção “DC Operating
Point” e compare com os valores previstos teoricamente (Ic, Ib e Vo).
3. Faça uma análise no tempo do circuito (Comando Analises – Transient, com
“automatic determine input conditions”) para determinar o valor do ganho de
tensão. Esta é semelhante a observar os resultados de uma simulação no
osciloscópio. Deve observar o sinal na saída, e comparar a amplitude deste com a
amplitude do sinal de entrada. Comente os resultados e compare o valor do ganho
de tensão com o previsto teoricamente. Altere a amplitude da fonte de sinal para
10mV e para 100mV e repita a análise no tempo. Comente os resultados obtidos
(como variou o ganho?).
4. Obtenha e represente os ganhos de tensão para pequenos sinais utilizando a opção
AC Analysis do Multisim. Para tal certifique-se que a opção “use in AC analysis”
está activada na tab “Analysis Setup” da fonte de entrada, e que esta tem uma
amplitude de um. Varie a frequência desde 100Hz a 1GHz. Comente os resultados.
Para medir o ganho de corrente pode substituir a fonte de tensão por uma fonte de
corrente.
5. Altere o valor de RP (e apenas o valor de Rp) de forma a alterar o ponto de
funcionamento em repouso duplicando aproximadamente a corrente de polarização
do colector. Comente o efeito observado no ganho incremental de tensão e no
ponto de funcionamento em repouso.
Montagem de colector comum
Rp
Vcc
Rb
C1
9V
Q2
1kohm
0.1uF
vi
Vo
100ohm
Re
Rl
100ohm
1V 1000Hz 0Deg
XSC1
G
A
B
T
Figura 3. Montagem de colector comum.
Construa o circuito apresentado.
1. Escolha o valor de Rp de forma que no ponto de funcionamento em repouso a
tensão na saída Vo seja aproximadamente 5V.
2. Determine o ponto de funcionamento em repouso através da opção “DC Operating
Point” e compare com os previstos teoricamente.
3. Faça uma análise no tempo. Comente os resultados e compare o valor do ganho de
tensão e de corrente com o previsto teoricamente.
4. Represente os ganhos incrementais de corrente |iC/iB(f)| e de tensão |vO/vI(f)| entre a
entrada e a saída do circuito, utilizando a opção AC analysis do Multisim. Varie a
frequência entre 100Hz e 10GHz. Compare-os com os resultados obtidos na
montagem de emissor comum.
Montagem de base comum
Rc
Rp
C2
Vo
0.1uF
Q2
V3
9V
10ohm
Rb
C1
0.1uF
Vi
1kohm
Re
XSC1
10mV 1000Hz 0Deg
G
A
B
T
Figura 4. Montagem de base comum.
Construa o esquema o circuito representado na figura anterior.
1. Determine o valor de Rp e Rc de forma que o ganho de tensão seja
aproximadamente unitário, e que no ponto de funcionamento em repouso a tensão
na saída, Vo seja aproximadamente 6V.
2. Determine o ponto de funcionamento em repouso através da opção “DC Operating
Point” e compare com os previstos teoricamente.
3. Faça uma análise no tempo. Comente os resultados e compare o valor do ganho de
tensão e de corrente com o previsto teoricamente.
4. Represente os ganhos incrementais de corrente |iC/iB(f)| e de tensão |vO/vI(f)| entre a
entrada e a saída do circuito, utilizando a opção AC analysis do Multisim. Faça
variar a tensão entre de 100Hz a 10GHz. Compare-os com os resultados obtidos na
montagem de emissor comum e colector comum.
Verificações experimental
Os transístor fornecidos no laboratório (C547PN93) têm um ganho de corrente,  , de
aproximadamente de 640. As resistência indicadas foram calculadas para este calor de
 . Estes devem ser montados utilizando o esquema,
C
B
E
Monte na breadbord o circuito referente à montagem emissor comum, removendo a
resistência Rb, tal como representado em baixo. Utilize para fonte de tensão uma pilha
de 9V disponível no laboratório. No circuito apresentado o PFR de Vo é de 7.25V.
Qual será o valor de Vo no PFR para Rc=8.2kohm? Qual é o valor de Ic? Qual seria o
efeito de adicionar uma resistência no emissor?
XSC1
3.3kohm
10Mohm
Rp
Rc
G
Vo
A
C1
Vcc
B
T
Q1
0.1uF
9V
vi
10mV 1000Hz 0Deg
1. Meça o valor do ganhe de tensão para uma tensão de entrada do circuito para uma
frequência de entrada de 100Hz e uma amplitude de 10mV.
2. Determine o valor máximo da tensão de entrada que evita a saturação da saída.
3. Meça o valor do ganho de tensão para uma frequência de entrada de 10Hz, 1kHz,
10kHz até 1GHz.
4. Coloque na saída uma resistência de 100 para a massa. Determine novamente o
ganho de tesão.
Monte na breadbord o circuito referente à montagem colector comum, mas remova o
andar de entrada, tal como representado na figura em baixo. Não desmonte o circuito
anterior. Ajuste o gerador de sinais para que este gere uma tensão contínua de 4.5V
(ou 7.25V), utilizando par tal o botão de offset do gerador.
Se ligar este circuito a uma coluna com uma impedância de 8homs tal resulta que para
um sinal com uma amplitude de 4V a corrente de saída terá uma amplitude de 0.5 A e
a corrente na base será de 0.8mA. Se o circuito for ligado à saída do circuito emissor
comum anterior, ele perturbará o funcionamento do primeiro?
Supondo que bateria alcalina (4euros!) consegue fornecer 1W (Vo > 7 V) durante
uma hora, o que corresponde aproximadamente a uma capacidade de cerca de
100mAh, e se o circuito apresentado for ligado a uma entrada de coluna, com um
condensador de desacoplamento na entrada, quanto tempo deve durar a pilha?
vi
Q1
Vcc
9V
V1
Vo
7. 2 5V 1V 100Hz 0Deg
Re
100 ohm
5. Meça o valor do ganhe de tensão para frequência de 100Hz, 10kHz, 100kHz,
1MHz.
6. Ligue a saída do circuito do andar emissor comum à entrada do circuito colector
comum. Meça o ganho de tensão do circuito.
7. Coloque na saída uma resistência de 100 para a massa. Meça o valor do ganho
de tensão do circuito.
8. Ligue a saída do circuito a uma das colunas não amplificadas disponíveis no
laboratório e verifique o resultado. Volte a ligar o circuito mas agora sem a
montagem colectora comum.
Notas

As aulas de laboratório devem ser previamente preparadas.

O enunciado de cada trabalho será disponibilizado anteriormente à realização
da aula de laboratório. Estão disponíveis datasheets de alguns componentes
utilizados na página http:/iscte.pt/labeti
Elementos a incluir no relatório:
· Uma pequena introdução.
· Os valores das resistências utilizadas e os dimensionamentos teórico devem
anteceder os resultados das simulações.
· Descrição pormenorizada do procedimento experimental e de simulação.
· Todos os valores medidos, correspondentes a resultados de simulação, valores
esperados analiticamente ou resultados reais.
· Todos os gráficos requeridos no enunciado correspondentes aos resultados de
simulação ou outros.
· Comentários sempre que os resultados de simulação não coincidam com os valores
esperados analiticamente ou observados durante a demonstração experimental.
· Lista das escolhas/decisões tomadas no decurso do trabalho.
· Opções de implementação e demonstração de resultados utilizados.
· Conclusões