TE216 Laboratório de Eletrônica II - Engenharia Eletrica
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MI MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA NOME DO ALUNO:__________________________________________________GRR:_____________________ TE216 Laboratório de Eletrônica II Prof. Alessandro L. Koerich 2012 MI MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA TE216 - Laboratório de Eletrônica II Prof. Alessandro L. Koerich Experimento 1 – Análise de Circuitos Circuito RLC-Série em CC Objetivo Analisar a resposta transitória em circuitos RLC e visualizar as curvas de tensão e de corrente em um circuito associando em série resistor, indutor e capacitor. Componentes e Instrumentação (1) unidade dos seguintes resistor: 10 . (1) unidade dos seguintes indutores: 1mH. (1) unidade dos seguintes capacitores: 10nF (). Osciloscópio Digital de Dois Canais e Ponteiras 10x Gerador de Funções Leitura Este experimento está diretamente relacionado com a disciplina Análise de Circuitos. Parte A – Resposta Temporal do Circuito RLC Dado um circuito envolvendo resistores, indutores e capacitores, sua resposta temporal pode ser obtida a partir da resolução de equações diferenciais de 2ª ordem. Em um circuito RLC paralelo, a equação diferencial de 2ª ordem de coeficientes constantes que relaciona a tensão no tempo é dada por: d 2 v(t ) 1 dv(t ) 1 v(t ) 0 2 RC dt LC dt 1 1 o como sendo a como sendo o coeficiente de amortecimento exponencial e 2 RC LC freqüência de ressonância angular, dada em rad/s. Além disso, o 2 f 0 , onde f0 é a freqüência de onde definimos ressonância do indutor e do capacitor, dada em Hertz. Em um circuito RLC série, a equação diferencial que relaciona a corrente no tempo é dada por: d 2 i(t ) R di(t ) 1 i(t ) 0 2 L dt LC dt onde definimos agora R também como sendo o coeficiente de amortecimento exponencial e 2L 1 LC o também como sendo a freqüência de ressonância angular. Dependendo dos valores de R, L e C, podemos ter quatro condições de amortecimento distintas: a) Super amortecido: > 0 ⇒ a equação possui duas raízes reais negativas; b) Criticamente amortecido: = 0 ⇒ a equação possui duas raízes iguais; c) Sub-amortecido: < 0 ⇒ a equação possui duas raízes complexas conjugadas; d) Sem amortecimento: = 0 Montagem: Monte o circuito de acordo com a figura a seguir usando o gerador de função ajustado para fornecer uma onda quadrada simétrica de freqüência 500Hz e amplitude 10Vpp. o Considere a própria resistência interna do gerador de funções que vale 50Ω. o O resistor de 10 Ω é usado apenas para possibilitar a medição da corrente I no circuito usando o osciloscópio e deve ser escolhido de modo a introduzir um erro desprezível. MI MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA + VR - Gerador de Funções Rin R + VL L C 10Vpp @ 500Hz I + VC 10 CH1 CH2 Medidas usando o Osciloscópio Digital: 1. Dimensione o valor de R (preencher a tabela) e monte o circuito para cada uma das condições de amortecimento. Utilize = 20 para super amortecido e 2 = 0 para sub-amortecido. 2. Analise a tensão sobre R, L e C e a corrente no circuito e faça um esboço das formas de onda obtidas em cada caso. 3. Ajuste as escalas de tempo e amplitude do osciloscópio de modo a obter uma maior precisão nas medidas C= L= R (Ω) Amortecimento Superamortecido = 20 Criticamente amortecido = 0 Sub-amortecido 2 = 0 Sem amortecimento =0 Observe que 0 está relacionado com a freqüência da oscilação amortecida e o parâmetro decaimento exponencial. fixa a rapidez do MI MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA TE216 - Laboratório de Eletrônica II Prof. Alessandro L. Koerich Simulação 1 – Análise de Circuitos Circuito RLC-Série em CC Simule o circuito de acordo com a figura a seguir usando o gerador de função ajustado para fornecer uma onda quadrada simétrica de freqüência 500Hz e amplitude 10Vpp. o Considere a própria resistência interna do gerador de funções que vale 50Ω. o O resistor de 10 Ω é usado apenas para possibilitar a medição da corrente I no circuito usando o osciloscópio e deve ser escolhido de modo a introduzir um erro desprezível. + VR - Gerador de Funções Rin R + VL L C 10Vpp @ 500Hz I + VC 10 W CH1 CH2 Medidas usando o Simulador: 1. Dimensione o valor de R (preencher a tabela) e monte o circuito para cada uma das condições de amortecimento. Utilize = 20 para super amortecido e 2 = 0 para sub-amortecido. 2. Analise a tensão sobre R, L e C e a corrente no circuito e trace o gráfico das formas de onda (Vc e I) obtidas em cada caso. C= L= R (Ω) Amortecimento Superamortecido = 20 Criticamente amortecido = 0 Sub-amortecido 2 = 0 Sem amortecimento =0 MI MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA TE216 - Laboratório de Eletrônica II Prof. Alessandro L. Koerich Experimento 2 – Fundamentos da Eletrônica Imperfeições dos Amplificadores Operacionais – Parte 1 Objetivo Familiarizar-se com as diferentes maneiras pela quais um circuito integrado amplificador operacional diverge do modelo ideal. Componentes e Instrumentação (1) CI UA741 – um amplificador operacional 741 encapsulado em um DIP de 8 pinos. (1) Fonte de alimentação simétrica ±10V. (2) unidades dos seguintes resistores: 10 , 1 k, 10 k, 100 k e 1 M. Multímetro Digital Osciloscópio Digital de Dois Canais e Ponteiras 10x Gerador de Funções 8 8 7 6 5 8 7 V+ 2 7 5 + 2 - 6 1 OFFSET N2 OFFSET N1 + + 3 3 4 6 NC V+ 1 + 2 - V3 4 4 1 MC1458 + 2 V3 4 uA741 Tensão e Corrente de OffSet Objetivo: Investigar uma maneira simples de encontrar a corrente de polarização (bias), corrente de offset e tensão de offset através de medidas indiretas usando um multímetro digital na função voltímetro. Montagem: Monte o circuito de acordo com a figura a seguir usando uma fonte simétrica ±10V e R2 = R3 = 1M. R2=1M +10V A - B + R3=1M C -10V Medidas usando o Multímetro Digital na função Voltímetro: Atenção: Antes de efetuar as medidas, aguarde pelo menos 5 minutos para estabilizar a temperatura. 1. Medir a tensão VC 2. Curto-circuitar o resistor R3 (ou seja, R3=0) e medir VC novamente. 3. Com R3=0 adicione um resistor R1=1k entre a entrada inversora e a referência (terra). Meça novamente VC. Resistores R2=1MΩ R3=1MΩ VC (V) R2=1MΩ R1=1kΩ R3=0Ω R2=1MΩ R3=0Ω Considere o efeito da corrente de polarização (bias), corrente de offset e tensão de offset sobre os valores medidos de VC. Estime cada um deles. Voffset IBias Ioffset Um amplificador operacional em particular, apresenta Voffset entre 1 mV e 5 mV, IBias = 1.5A e loffset = 200 nA. Os valores obtidos estão próximos destes? Como é possível minimizar a tensão de offset de um amplificador operacional como o LM741? Consulte o datasheet do componente. MI MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA TE216 - Laboratório de Eletrônica II Prof. Alessandro L. Koerich Simulação 2 – Fundamentos da Eletrônica Imperfeições dos Amplificadores Operacionais – Parte 1 Tensão e Corrente de OffSet Objetivo: Investigar uma maneira simples de encontrar a corrente de polarização (bias), corrente de offset e tensão de offset através de medidas indiretas usando um multímetro digital na função voltímetro. Montagem: Monte o circuito de acordo com a figura a seguir usando uma fonte simétrica ±10V e R2 = R3 = 1M. R2=1M +10V A - B + C -10V R3=1M Medidas usando o Simulador: 1. Medir a tensão VC 2. Curto-circuitar o resistor R3 (ou seja, R3=0) e medir VC novamente. 3. Com R3=0 adicione um resistor R1=1k entre a entrada inversora e a referência (terra). Meça novamente VC. Resistores R2=1MΩ R3=1MΩ R2=1MΩ R1=1kΩ VC (V) R3=0Ω R2=1MΩ R3=0Ω Considere o efeito da corrente de polarização (bias), corrente de offset e tensão de offset sobre os valores medidos de VC. Meça cada um deles. Voffset IBias Ioffset Um amplificador operacional em particular, apresenta Voffset entre 1 mV e 5 mV, IBias = 1.5A e loffset = 200 nA. Os valores obtidos estão próximos destes? MI MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA TE216 - Laboratório de Eletrônica II Prof. Alessandro L. Koerich Experimento 3 – Fundamentos da Eletrônica Imperfeições dos Amplificadores Operacionais – Parte 2 Objetivo Familiarizar-se com as diferentes maneiras pela quais um circuito integrado de amplificador operacional diverge do modelo ideal. Componentes e Instrumentação CI UA741 – um amplificador operacional 741 2 unidades dos resistores: 10, 1k, 10k, 100k e 1 M. Fonte de alimentação simétrica ±10V. Multímetro Digital Osciloscópio Digital de Dois Canais e Ponteiras 10x Gerador de Funções Resposta em Frequência para Pequenos Sinais Objetivo: Explorar os efeitos da freqüência de pequenos sinais em um circuito com um amplificador operacional em configuração inversora. Monte o circuito de acordo com a figura a seguir Ra R1 R2 usando uma fonte simétrica com ±10V para alimentação 1kΩ 1kΩ 1MΩ B C do CI. Conecte na entrada do circuito (no ponto A) um A gerador de funções cuja freqüência deve ser inicialmente de 100Hz. Rb 10Ω +10V D + -10V vA = V vD = Medidas usando o Osciloscópio Digital: 1) Conecte o gerador de funções em A e ajuste-o para obter em D (na saída!) uma tensão de 1Vpp em 100Hz. Meça as tensões de pico a pico nos nós A e D. Calcule o ganho de tensão. V Gv = V/V Gv = dB 2) Aumente a frequência do gerador para um valor no qual vD (tensão na saída!) seja reduzido em 3dB, ou seja, para 1/√2 = 0,707 de seu valor em 100Hz (ou 70,7%). Esta frequência é chamada de frequência de corte do amplificador, também conhecida como frequência de 3dB (f3dB). Certifique-se de que a tensão em A permaneceu no valor inicial estabelecido no item 1). f3dB= Hz 3) Aumente gradualmente a frequência do gerador para até aproximadamente 10 vezes a frequência de f3dB . Para diferentes frequências, meça as tensões e calcule o ganho de tensão. f vA (V) vD (V) Gv (V/V) Gv (dB) 4) Mude o resistor R2 de 1MΩ para 100kΩ e repita os itens 1), 2) e 3). f vA (V) vD (V) Gv (V/V) Gv (dB) Considere o relacionamento entre o ganho em malha fechada e a largura de banda em 3dB do amplificador inversor. Qual é a frequência em 3dB de cada uma das configurações testadas? Quais seus produtos ganho-banda? Trace um diagrama de Bode do ganho de tensão para as duas configurações testadas. MI MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA TE216 - Laboratório de Eletrônica II Prof. Alessandro L. Koerich Simulação 3 – Fundamentos da Eletrônica Imperfeições dos Amplificadores Operacionais – Parte 2 Resposta em Frequência para Pequenos Sinais Objetivo: Explorar os efeitos da freqüência de pequenos sinais em um circuito com um amplificador operacional em configuração inversora. Simule o circuito de acordo com a figura a seguir Ra R1 R2 usando uma fonte simétrica com ±10V para alimentação 1kΩ 1kΩ 1MΩ B C do CI. Conecte na entrada do circuito (no ponto A) um A gerador de funções cuja freqüência deve ser inicialmente de 100Hz. Rb 10Ω +10V D + -10V vA = V vD = Medidas usando o simulador: 1) Conecte o gerador de funções em A e ajuste-o para obter em D (na saída!) uma tensão de 1Vpp em 100Hz. Meça as tensões de pico a pico nos nós A e D. Calcule o ganho de tensão. V Gv = V/V Gv = dB 2) Aumente a frequência do gerador para um valor no qual vD (tensão na saída!) seja reduzido em 3dB, ou seja, para 1/√2 = 0,707 de seu valor em 100Hz (ou 70,7%). Esta frequência é chamada de frequência de corte do amplificador, também conhecida como frequência de 3dB (f3dB). Certifique-se de que a tensão em A permaneceu no valor inicial estabelecido no item 1). f3dB= Hz 3) Aumente gradualmente a frequência do gerador para até aproximadamente 10 vezes a frequência de f3dB . Para diferentes frequências, meça as tensões e calcule o ganho de tensão. f vA (V) vD (V) Gv (V/V) Gv (dB) 4) Mude o resistor R2 de 1MΩ para 100kΩ e repita os itens 1), 2) e 3). f vA (V) vD (V) Gv (V/V) Gv (dB) Considere o relacionamento entre o ganho em malha fechada e a largura de banda em 3dB do amplificador inversor. Qual é a frequência em 3dB de cada uma das configurações testadas? Quais seus produtos ganho-banda? Trace um diagrama de Bode do ganho de tensão para as duas configurações testadas. MI MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA TE216 - Laboratório de Eletrônica II Prof. Alessandro L. Koerich Experimento 4 – Análise de Circuitos Capacitor e Indutor em CA Objetivo Verificar a variação da reatância capacitiva e da reatância indutiva com a frequência. Componentes e Instrumentação Capacitor cerâmico ou Poliéster 100nF (104). Indutor (micro-choque de RF) 1mH. Resistor 1kΩ. Osciloscópio Digital de Dois Canais e Ponteiras 10x e 1x Gerador de Funções Capacitor em CA Um capacitor, quando percorrido por uma corrente elétrica alternada, oferece uma oposição à passagem dela, imposta por campo elétrico, denominada reatância capacitiva. Essa reatância capacitiva é inversamente proporcional à frequência da corrente, ao valor do capacitor e é dada pela relação: Podemos traçar o gráfico da reatância capacitiva em função da frequência, obtendo com resultado a curva mostrada abaixo. Do gráfico concluímos que, a medida que a frequência aumenta, a reatância capacitiva decresce até atingir um valor praticamente nulo. Como a reatância capacitiva é função da frequência, devemos medi-la por um processo experimental, ou seja, aplicamos uma tensão alternada aos terminais do capacitor, medimos o valor da tensão e da corrente, obtendo assim o seu valor pela relação: Aplicando uma tensão alternada nos terminais de um capacitor, como mostra o circuito da figura abaixo, surgirá uma corrente alternada, pois o capacitor irá carregar-se e descarregar-se continuamente em função da característica dessa tensão. Lembrando que quando o capacitor está descarregado (VC = 0), a corrente é máxima e quando carregado (VC = Vmáx ), a corrente é nula, podemos em função disso representar graficamente essa situação, conforme mostra a figura abaixo. Observando a figura ao lado, notamos que a corrente está adiantada de ⁄ rad em relação à tensão, portanto temos que a corrente obedece à equação: ( ) onde ( ) Indutor em CA Um indutor, quando percorrido por uma corrente elétrica alternada, oferece uma oposição à passagem dela, imposta por campo magnético, denominada reatância indutiva. Essa reatância indutiva é diretamente proporcional à frequência da corrente, ao valor do indutor e é dada pela relação: Podemos traçar o gráfico da reatância indutiva em função da frequência, obtendo com resultado a curva mostrada ao lado. Do gráfico podemos concluir que a reatância indutiva aumenta com a frequência. Como a reatância indutiva é função da frequência, devemos medi-la por um processo experimental, ou seja, aplicamos uma tensão alternada aos terminais do indutor, medimos o valor da tensão e da corrente, obtendo assim o seu valor pela relação: Aplicando uma tensão alternada nos terminais de um indutor, como mostra o circuito da figura abaixo, surgirá uma corrente alternada, pois o indutor irá energizar-se e desenergizar-se continuamente em função da característica dessa tensão. Lembrando que quando o indutor está energizado (VL = 0), a corrente é máxima e negativa, e quando o indutor está desenergizado (VL = Vmáx ), a corrente é nula, podemos em função disso representar graficamente essa situação, conforme mostra a figura abaixo. Observando a figura ao lado, notamos que a corrente está atrasada de ⁄ rad em relação à tensão, portanto temos que a corrente obedece à equação: ( ) ( ) onde Parte Prática – Circuito RC XXXX 100nF 1) Monte o circuito da figura ao lado. Ajuste a frequência do gerador de sinais para 10kHz. 2) Ajuste a tensão do gerador de sinais para obter no resistor as tensões marcadas no quadro abaixo. Para cada caso, meça e anote a tensão pico a pico no capacitor. Calcule os demais valores. VRpp (V) VRef (V) Ief (mA) VCpp (V) VCef (V) XC (Ω) 10 14 16 3) Ajuste o gerador de sinais para 10V pico a pico, mantendo-a constante a cada medida. Varie a frequência de acordo com o quadro abaixo. Meça e anote para cada caso o valor da tensão pico a pico no resistor e no capacitor. Calcule os demais valores. f (kHz) 1 3 5 7 9 10 4) Calcule VRpp(V) VRef(V) VCpp(V) VCef(V) Ief(mA) XC(Ω) e compare com os valores obtidos na tabela do item 2). 5) Com os valores obtidos na tabela do item 3), construa o gráfico XC = f(f). Parte Prática – Circuito RL 6) Monte o circuito da figura acima. Ajuste a frequência do gerador de sinais para 100kHz. 7) Ajuste a tensão do gerador de sinais para obter no resistor as tensões xxxx marcadas no quadro abaixo. Para cada caso, meça e anote a tensão pico a pico 1mH no indutor. Calcule os demais valores. 10 VRpp (V) 14 16 VRef (V) Ief (mA) VLpp (V) VLef (V) XL (Ω) 8) Ajuste o gerador de sinais para 10V pico a pico, mantendo-o constante a cada medida. Varie a frequência de acordo com o quadro abaixo. Meça e anote para cada caso o valor da tensão pico a pico no resistor e no indutor. Calcule os demais valores. f (kHz) VRpp(V) VRef(V) VLpp(V) VLef(V) 10 30 50 70 90 100 9) Calcule e compare com os valores obtidos no quadro do item 2). 10) Com os valores do quadro do item 3), construa o gráfico XL = f(f). Ief(mA) XL(Ω) MI MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA TE216 - Laboratório de Eletrônica II Prof. Alessandro L. Koerich Simulação 4 – Análise de Circuitos Capacitor e Indutor em CA Objetivo Verificar a variação da reatância capacitiva e da reatância indutiva com a frequência. Parte Prática – Circuito RC XXXX 100nF 1) Simule o circuito da figura ao lado. Ajuste a frequência do gerador de sinais para 10kHz. 2) Ajuste a tensão do gerador de sinais para obter no resistor as tensões marcadas no quadro abaixo. Para cada caso, meça e anote a tensão pico a pico no capacitor. Calcule os demais valores. VRpp (V) 10 14 16 VRef (V) Ief (mA) VCpp (V) VCef (V) XC (Ω) 3) Ajuste o gerador de sinais para 10V pico a pico, mantendo-a constante a cada medida. Varie a frequência de acordo com o quadro abaixo. Meça e anote para cada caso o valor da tensão pico a pico no resistor e no capacitor. Calcule os demais valores. f (kHz) 1 3 5 7 9 10 4) Calcule VRpp(V) VRef(V) VCpp(V) VCef(V) Ief(mA) XC(Ω) e compare com os valores obtidos na tabela do item 2). 5) Com os valores obtidos na tabela do item 3), construa o gráfico XC = f(f). Parte Prática – Circuito RL 6) Simule o circuito da figura ao lado. Ajuste a frequência do gerador de sinais para 100kHz. 7) Ajuste a tensão do gerador de sinais para obter no resistor as tensões XXXX marcadas no quadro abaixo. Para cada caso, meça e anote a tensão pico a pico 1mH no indutor. Calcule os demais valores. VRpp (V) VRef (V) Ief (mA) 10 14 16 VLpp (V) VLef (V) XL (Ω) 8) Ajuste o gerador de sinais para 10V pico a pico, mantendo-o constante a cada medida. Varie a frequência de acordo com o quadro abaixo. Meça e anote para cada caso o valor da tensão pico a pico no resistor e no indutor. Calcule os demais valores. f (kHz) VRpp(V) VRef(V) VLpp(V) VLef(V) 10 30 50 70 90 100 9) Calcule e compare com os valores obtidos no quadro do item 2). 10) Com os valores do quadro do item 3), construa o gráfico XL = f(f). Ief(mA) XL(Ω) MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA MI TE216 - Laboratório de Eletrônica II Prof. Alessandro L. Koerich Experimento 5 – Fundamentos da Eletrônica Circuitos de Polarização para Transistor Bipolar Objetivo Demonstrar os efeitos de projetos de circuitos de polarização inadequados para transistores bipolares. Componentes e Instrumentação 2 Transistores Bipolar npn 2N2222 ou 2N3904 Fonte de alimentação CC simétrica 3 Resistores de 10k, 100k, 1k Multímetro digital Experimentos Parte 1 – Polarização pela Corrente de Base Objetivo: Demonstrar a inadequação de um projeto de ruim de polarização, mas muitas vezes comum. +10V RC 10kΩ +10V C RP 10kΩ A RBB 100kΩ B RB 10kΩ E Montagem: Monte o circuito como mostrado na figura. Observe que este circuito de polarização não é recomendado. Medidas: a) Medir a tensão no nó C, ajustando o potenciômetro Rp até VC = +5 V. b) Medir também as tensões nos nós A e B. c) Enquanto estiver medindo VC, esquente o transistor aproximando um ferro de soldar. d) Remova o transistor cuidadosamente. Insira outro transistor no lugar; Meça VC. Preencha na tabela os valores de VA, VB e VC, para dois transistores e duas temperaturas. Transistor Q1 Temperatura Ambiente Q1 Aquecido Q2 Ambiente Q2 Aquecido VA VB VC Análise: Considere o fato de que a operação satisfatória deste circuito depende criticamente de . A medida que varia de dispositivo para dispositivo, ou com a temperatura, a tensão VCE irá variar bastante, podendo o transistor atingir a saturação facilmente para um alto . De fato, o melhor transistor que você puder obter um com = não funciona de maneira alguma. Isto é um forte indício de um mau projeto. Parte 2 – Tensão de Polarização Base-Emissor Fixa Objetivo: Demonstrar a total impropriedade de um projeto de polarização com tensão fixa. Montagem: Monte o circuito como mostrado na figura. Medidas: +10V RC 10kΩ +10V C RP 10kΩ A RBB 10kΩ B RB 10kΩ RA 1kΩ E a) Medir a tensão no nó C, ajustando o potenciômetro Rp até VC = +5 V. b) Medir também as tensões nos nós A e B. c) Enquanto estiver medindo VC, esquente o transistor aproximando um ferro de soldar. Preencha na tabela os valores de VA, VB e VC, para dois transistores e duas temperaturas. Transistor Q1 Temperatura Ambiente Q1 Aquecido Q2 Ambiente Q2 Aquecido VA VB VC Análise: o Considere o fato de que a tensão base-emissor em uma corrente fixa de emissor, cai 2mV para cada C de aumento na temperatura. Use suas medidas para estimar o aumento de temperatura que você induziu no transistor. MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA MI TE216 - Laboratório de Eletrônica II Prof. Alessandro L. Koerich Simulação 5 – Fundamentos da Eletrônica Circuitos de Polarização para Transistor Bipolar Parte 1 – Polarização pela Corrente de Base Objetivo: Demonstrar a inadequação de um projeto de ruim de polarização, mas muitas vezes comum. +10V RC 10kΩ Simulação: Simule o circuito como mostrado na figura. Observe que este circuito de polarização não é recomendado. +10V C RP 10kΩ A RBB 100kΩ B RB 10kΩ E Medidas: a) Medir a tensão no nó C, ajustando o potenciômetro Rp até VC = +5 V. o b) Medir também as tensões nos nós A e B (Temp=27 C). c) Mude o valor da temperatura de simulação para os valores indicados na tabela. Preencha na tabela os valores de VA, VB e VC, para as temperaturas. Transistor Q1 Temperatura o 27 C Q1 40 C Q1 50 C Q1 60 C Q1 80 C VA VB VC o o o o Parte 2 – Tensão de Polarização Base-Emissor Fixa Objetivo: Demonstrar a total impropriedade de um projeto de polarização com tensão fixa. Simulação: Simule o circuito como mostrado na figura. +10V RC 10kΩ +10V Medidas: a) Medir a tensão no nó C, ajustando o potenciômetro Rp até VC = +5 V. o b) Medir também as tensões nos nós A e B (Temp=27 C). c) Mude o valor da temperatura de simulação para os valores indicados na tabela. C RP 10kΩ A RBB 10kΩ B RB 10kΩ RA 1kΩ Preencha na tabela os valores de VA, VB e VC, para as temperaturas. E Transistor Q1 Temperatura o 27 C Q1 40 C Q1 50 C Q1 60 C Q1 80 C o o o o VA VB VC MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA MI TE216 - Laboratório de Eletrônica II Prof. Alessandro L. Koerich Experimento 6 – Fundamentos da Eletrônica Transistor Bipolar como Amplificador Objetivo Apesar do circuito abaixo usar um projeto de polarização relativamente ruim que combina a corrente de base e a tensão de base, é conveniente utilizá-lo para medir o ganho de um transistor em particular sob condições ambientais estáveis. Incidentalmente, a presença de um potenciômetro Rp, geralmente, indica um projeto longe do ideal. Componentes e Instrumentação Transistor Bipolar npn 2N2222 ou 2N3904 Fonte de alimentação CC simétrica Resistores: (2) 10k, 100k, 1k, 100 Potenciômetro: 10k linear Multímetro digital Osciloscópio Experimentos Parte 1 – Ganho de Tensão e Resistência de Entrada Objetivo: Investigar importantes propriedades de um BJT como amplificador. Montagem: Monte o circuito como mostrado na figura. Observe o comentário da experiência anterior sobre este tipo de polarização ser inapropriada. Use ponteiras em 10x exceto quanto o sinal for muito fraco. +10V +10V RP 10kΩ VBB RC 10kΩ RB 100kΩ C vo B RS 10kΩ E I A vi RG1 1kΩ Medidas: a) Com vi zerado (ou aberto), ajuste Rp de modo que a tensão em C seja de VC = 5V. b) Medindo as tensões nos nós I e C, faça vi ser uma onda senoidal de 1kHz. Ajuste a amplitude vi de modo que vo seja uma onda senoidal com amplitude de 1V de pico. c) Meça os sinais de pico em I, A e B. Como o último é muito pequeno, provavelmente será necessário ajustar a ponteira do osciloscópio para 1x. d) Preencha na tabela os valores. va vb vc vo /vb vo / v a vo /vi RG2 100Ω Análise: Considere a operação do circuito com o transistor bipolar como um amplificador. Calcule os ganhos de tensão vo/vb, vo/va, vo/vi e a corrente de base ib (através de Rs) e portanto, Rinb. Note que vo/vb é o ganho básico do transistor bipolar enquanto que vo/va é o ganho resultante de uma fonte cuja resistência interna é Rs=10kΩ. Normalmente, algum sinal é perdido na rede de polarização (RB), contudo, aqui esta perda é pequena, pois, RB >> Rinb. Parte 2 – Distorção para Grandes Sinais Objetivo: Demonstrar que a operação do amplificador com transistor bipolar é relativamente linear somente em uma faixa de sinal bastante restrita. Montagem: Monte o circuito como mostrado na figura anterior. Ajuste VC = 5 V como indicado na Parte 1. Medidas: a) Medir as tensões nos nós C e I com o osciloscópio. Ajustar a tensão de entrada de modo que a saída seja uma onda senoidal com amplitude de 1 V pico-a-pico. b) Ajustar o ganho do osciloscópio, polaridade e posição DC do canal conectado ao nó I de modo que os sinais no nó C e I fiquem sobrepostos. Talvez seja necessário ajustar o canal no nó C como acoplamento AC. c) Aumente a tensão de lentamente, observando as tensões nos nós I e C. Note que a tensão de saída começa a desviar da tensão de I nos picos. Note finalmente (assumindo acoplamento DC para o canal conectado ao nó C), que os picos na saída ficam achatados, não sendo maiores do que 10 V, nem menores do que poucas dezenas de volts acima da referência. Meça vb para a saída começando a divergir de vi e então, quando ela está em seu limite de pico positiva, e em seu limite de pico negativa. Tensão Para distorção perceptível em vc Corte no pico positivo Corte no pico Negativo vc vb vi Análise: Considere os efeitos que você observou como uma evidência de distorção não linear no sinal, inicialmente relativamente menor e depois bastante perceptível com a saída cortando quando o transistor corta ou satura (em uma ordem que depende dos detalhes da polarização). Normalmente minimizamos a distorção mantendo vb inferior a 10mV de pico. MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA MI TE216 - Laboratório de Eletrônica II Prof. Alessandro L. Koerich Simulação 6 – Fundamentos da Eletrônica Transistor Bipolar como Amplificador Componentes e Instrumentação Transistor Bipolar npn 2N2222 ou 2N3904 Fonte de alimentação CC simétrica Resistores: (2) 10k, 100k, 1k, 100 Potenciômetro: 10k linear Parte 1 – Ganho de Tensão e Resistência de Entrada Objetivo: Investigar importantes propriedades de um BJT como amplificador. Montagem: Simule o circuito como mostrado na figura. Observe o comentário da experiência anterior sobre este tipo de polarização ser inapropriada. +10V +10V RP 10kΩ VBB Medidas: a) Com vi zerado (ou aberto), ajuste Rp de modo que a tensão em C seja de VC = 5V. b) Medindo as tensões nos nós I e C, faça vi ser uma onda senoidal de 1kHz. Ajuste a amplitude vi de modo que vo seja uma onda senoidal com amplitude de 1V de pico. c) Meça os sinais de pico em I, A e B. Preencha na tabela os valores. RC 10kΩ RB 100kΩ C vo B E RS 10kΩ I A vi RG1 1kΩ va RG2 100Ω vb vc vo /vb vo / v a vo /vi Análise: Considere a operação do circuito com o transistor bipolar como um amplificador. Calcule os ganhos de tensão vo/vb, vo/va, vo/vi e a corrente de base ib (através de Rs) e portanto, Rinb. Note que vo/vb é o ganho básico do transistor bipolar enquanto que vo/va é o ganho resultante de uma fonte cuja resistência interna é Rs=10kΩ. Normalmente, algum sinal é perdido na rede de polarização (RB), contudo, aqui esta perda é pequena, pois, RB >> Rinb. Parte 2 – Distorção para Grandes Sinais Objetivo: Demonstrar que a operação do amplificador com transistor bipolar é relativamente linear somente em uma faixa de sinal bastante restrita. Simulação: Simule o circuito como mostrado na figura anterior. Ajuste VC = 5 V como indicado na Parte 1. Medidas: a) Medir as tensões nos nós C e I com o osciloscópio. Ajustar a tensão de entrada de modo que a saída seja uma onda senoidal com amplitude de 1 V pico-a-pico. b) Ajustar o ganho do osciloscópio, polaridade e posição DC do canal conectado ao nó I de modo que os sinais no nó C e I fiquem sobrepostos. Talvez seja necessário ajustar o canal no nó C como acoplamento AC. c) Aumente a tensão de lentamente, observando as tensões nos nós I e C. Note que a tensão de saída começa a desviar da tensão de I nos picos. Note finalmente (assumindo acoplamento DC para o canal conectado ao nó C), que os picos na saída ficam achatados, não sendo maiores do que 10 V, nem menores do que poucas dezenas de volts acima da referência. Meça vb para a saída começando a divergir de vi e então, quando ela está em seu limite de pico positiva, e em seu limite de pico negativa. Tensão Para distorção perceptível em vc Corte no pico positivo Corte no pico Negativo vc vb vi Análise: Considere os efeitos que você observou como uma evidência de distorção não linear no sinal, inicialmente relativamente menor e depois bastante perceptível com a saída cortando quando o transistor corta ou satura (em uma ordem que depende dos detalhes da polarização). Normalmente minimizamos a distorção mantendo vb inferior a 10mV de pico. MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA MI TE216 - Laboratório de Eletrônica II Prof. Alessandro L. Koerich Experimento 7 – Fundamentos da Eletrônica Transistor Bipolar como Amplificador II Objetivo Explorar os aspectos particulares do comportamento em baixas freqüências do amplificador com transistor bipolar acoplado por capacitor. Componentes e Instrumentação Transistor Bipolar npn 2N2222 ou 2N3904 Fonte de alimentação +15V e -10V. Resistores: (5) 10 k, 100 . Capacitores: 1 uF, 100 uF Multímetro Digital Osciloscópio Digital de Dois Canais e Ponteiras 10x Gerador de Funções Circuito Básico Emissor Comum (CE) Parte A: Análise CC I Objetivo: Avaliar as correntes CC de polarização e os parâmetros de pequenos sinais para o amplificador BJT na configuração emissor-comum. Montagem: Monte o circuito de acordo com o diagrama mostrado na figura +15V acima. Medidas: a) Com a entrada “aterrada” use o RC multímetro digital para medir as tensões 10kΩ contínuas nos nós S, B, E e C. Use estes valores para calcular as correntes de polarização, e como conseqüência , re, C D RB r e gm. Assumimos VA com sendo muito 10kΩ 10kΩ CC RL S B grande, e, portanto ignoramos ro. 1µF Q1 10kΩ vi 100Ω (Resistência do emissor): re = VT / IE (Transcondutância): gm= IC / VT (Resistência da base): r = / gm + E CE 100µF RE1 10kΩ -10V VS VB VE VC IB IE IC Parte B: Resposta de Meia Banda Objetivo: Avaliar a resposta a pequenos sinais do amplificador emissor comum em meia banda, onde os capacitores de acoplamento agem como curto-circuito e os capacitores das junções do transistor são circuitos abertos. Montagem: Utilizar o mesmo circuito anterior, agora com um sinal senoidal de 1 Vpp em 1kHz aplicado ao nó I. Medidas: a) Medir as tensões pico a pico nos nós S, B, E, C e D usando o osciloscópio e ponteiras em 10X. vS vB vE vC vD Análise: Considere o fato de que algumas tensões medidas são muito baixas: em E é nominalmente zero; em S, apesar de pequeno, é calculável a partir de I; em B é pequena e sujeita a erro, mas verificável usando dados CC. Use dados pico-a-pico para encontrar ganhos de tensão de B a C, e S a D, e a resistência de entrada. (olhando a direita do nó B). rin = vB/iB Parte C: Resposta em Baixas Freqüências Objetivo: Avaliar a resposta a pequenos sinais do amplificador emissor comum em meia banda, onde os capacitores de acoplamento agem como curto-circuito e os capacitores das junções do transistor são circuitos abertos. Montagem: Utilizar o mesmo circuito anterior, agora com um sinal senoidal de 1 Vpp em 1kHz aplicado ao nó I. Medidas: a) Com ponteiras do osciloscópio em 10X nos nós S e D, reduza a freqüência suavemente, identificando primeiramente a freqüência inferior de corte de 3-dB, fL e então a região onde o ganho cai por um fator 2 por oitava (6-dB/oitava) de freqüência e então por um fator 4 por oitava (12-dB/oitava) e a freqüência superior de corte de 3-dB, fH. Finalmente tente encontrar a freqüência de transmissão zero, abaixo da qual a resposta retorna para uma taxa de 20dB/década. Conseqüentemente, qual o ganho entre os nós B e C quando isso ocorre? f vS vD fL fH fZ Análise: Considere melhor a situação traçando um diagrama de Bode da magnitude. Verifique as frequências críticas medidas. MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA MI TE216 - Laboratório de Eletrônica II Prof. Alessandro L. Koerich Simulação 7 – Fundamentos da Eletrônica Transistor Bipolar como Amplificador II Objetivo Explorar os aspectos particulares do comportamento em baixas freqüências do amplificador com transistor bipolar acoplado por capacitor. Componentes e Instrumentação Transistor Bipolar npn 2N2222 ou 2N3904 Circuito Básico Emissor Comum (CE) Parte A: Análise CC I Objetivo: Avaliar as correntes CC de polarização e os parâmetros de pequenos sinais para o amplificador BJT na configuração emissor-comum. Simule o circuito de acordo com o diagrama mostrado na figura acima. +15V Medidas: a) Com a entrada “aterrada” meça os valores indicados na tabela abaixo e RC calcule e como consequência , re, r e 10kΩ gm. Assumimos VA com sendo muito grande, e, portanto ignoramos ro. C D RB (Resistência do emissor): re = VT / IE 10kΩ 10kΩ CC RL S B (Transcondutância): gm= IC / VT 1µF Q1 10kΩ (Resistência da base): r = / gm vi + E 100Ω CE 100µF RE1 10kΩ -10V VS VB VE VC IB IE IC Parte B: Resposta de Meia Banda Objetivo: Avaliar a resposta a pequenos sinais do amplificador emissor comum em meia banda, onde os capacitores de acoplamento agem como curto-circuito e os capacitores das junções do transistor são circuitos abertos. Simulação: Utilizar o mesmo circuito anterior, agora com um sinal senoidal de 1 Vpp em 1kHz aplicado ao nó I. Medidas: a) Medir as tensões pico a pico nos nós S, B, E, C e D usando o osciloscópio e ponteiras em 10X. vS vB vE vC vD Análise: Considere o fato de que algumas tensões medidas são muito baixas: em E é nominalmente zero; em S, apesar de pequeno, é calculável a partir de I; em B é pequena e sujeita a erro, mas verificável usando dados CC. Use dados pico-a-pico para encontrar ganhos de tensão de B a C, e S a D, e a resistência de entrada. (olhando a direita do nó B). rin = vB/iB Parte C: Resposta em Baixas Freqüências Objetivo: Avaliar a resposta a pequenos sinais do amplificador emissor comum em meia banda, onde os capacitores de acoplamento agem como curto-circuito e os capacitores das junções do transistor são circuitos abertos. Simulação: Utilizar o mesmo circuito anterior, agora com um sinal senoidal de 1 Vpp em 1kHz aplicado ao nó I. Medidas: a) Com ponteiras do osciloscópio em 10X nos nós S e D, reduza a freqüência suavemente, identificando primeiramente a freqüência inferior de corte de 3-dB, fL e então a região onde o ganho cai por um fator 2 por oitava (6-dB/oitava) de freqüência e então por um fator 4 por oitava (12-dB/oitava) e a freqüência superior de corte de 3-dB, fH. Finalmente tente encontrar a freqüência de transmissão zero, abaixo da qual a resposta retorna para uma taxa de 20dB/década. Conseqüentemente, qual o ganho entre os nós B e C quando isso ocorre? f vS vD fL fH fZ Análise: Considere melhor a situação traçando um diagrama de Bode da magnitude. Verifique as frequências críticas medidas. MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA MI TE216 - Laboratório de Eletrônica II Prof. Alessandro L. Koerich Experimento 8 – Fundamentos da Eletrônica Transistor Bipolar como Amplificador III – Operação em Altas Frequências Objetivo Caracterizar a resposta em altas frequências do amplificador emissor comum modificado. Componentes e Instrumentação Transistor Bipolar NPN 2N2222 ou 2N3904 Fonte de alimentação +15V e -10V. Resistores: (5) 10 k, 100 . Capacitores: (2) 1 uF Multímetro Digital Osciloscópio Digital de Dois Canais e Ponteiras 10x Gerador de Funções Amplificador Emissor Comum (CE) Modificado para Operação em Altas Frequências Objetivo: Caracterizar a resposta em alta frequência do amplificador BJT na configuração emissor-comum modificada. Montagem: Monte o circuito de acordo com o diagrama mostrado na figura acima com uma onda senoidal de 4 Vpp em 10kHz na entrada. Nesta experiência, a medida que a frequência for modificada, se assegure de que a amplitude do sinal de entrada (em I ou S) se mantém constate. Ajuste a saída do gerador se necessário. +15V RC 10kΩ 10kΩ RB 10kΩ CB 1µF C Medidas: a) Usando pontas de prova em 10X e acoplamento AC, meça as + tensões pico a pico em S, B e C. Estime vi E 100Ω os ganhos de tensão de S para C, e de CE B para C e a resistência de entrada 1µF RE1 olhando a base do transistor em B. b) Observando em particular o 10kΩ sinal em C, aumente a frequência até que a tensão em C caia em 3dB, para -10V 0,707 do seu valor de meia banda. Esta é a frequência f1. c) Aumente a frequência para 10xf1 e meça as tensões pico a pico em S, B e C. d) Agora, coloque outro resistor de 10kΩ em paralelo com RC e encontre a frequência de 3dB modificada f2. S I Frequência 10kHz f1= 10 x f1 = 10kHz f2= 10 x f2 = B Q1 vs vb vc Análise: A partir das tensões em S, B e C encontre ac e . A partir das correntes de polarização encontre re, rπ e gm. A partir das tensões CA em S e B, encontre Ri = rπ + re e estime rx, isto é rx’. A partir de f1 e f2 com gm e RC, em combinação com (RB + rx’ ) || rπ encontre tanto Cπ quanto Cµ usando o efeito Miller para os dois valores de ganho. e) A partir das medidas AC em S e B para 10xf1, juntamente com os valores de Cπ, Cµ e o ganho, encontre um melhor valor para rx. a) b) c) d) Lembrete: Resistência do emissor Transcondutância Resistência da base re = VT / IE gm= IC / VT r = / gm MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA MI TE216 - Laboratório de Eletrônica II Prof. Alessandro L. Koerich Simulação 8 – Fundamentos da Eletrônica Transistor Bipolar como Amplificador III – Operação em Altas Frequências Objetivo Caracterizar a resposta em altas frequências do amplificador emissor comum modificado. Componentes e Instrumentação Transistor Bipolar NPN 2N2222 ou 2N3904 Amplificador Emissor Comum (CE) Modificado para Operação em Altas Frequências Objetivo: Caracterizar a resposta em alta frequência do amplificador BJT na configuração emissor-comum modificada. Simulação: Simule o circuito de acordo com o diagrama mostrado na figura acima com uma onda senoidal de 4 Vpp em 10kHz na entrada. Nesta experiência, a medida que a frequência for modificada, se assegure de que a amplitude do sinal de entrada (em I ou S) se mantém constate. Ajuste a saída do gerador se necessário. +15V RC 10kΩ 10kΩ RB 10kΩ S I vi 100Ω CB 1µF C B Medidas: a) Meça as tensões pico a pico em S, B e C. Estime os ganhos de tensão de S para C, e de B para C e a resistência de entrada olhando a base do transistor em B. b) Observando em particular o sinal em C, aumente a frequência até que a tensão em C caia em 3dB, para 0,707 do seu valor de meia banda. Esta é a frequência f1. c) Aumente a frequência para Q1 + E RE1 10kΩ CE 1µF -10V 10xf1 e meça as tensões pico a pico em S, B e C. d) Agora, coloque outro resistor de 10kΩ em paralelo com RC e encontre a frequência de 3dB modificada f2. Frequência vs vb 10kHz f1= 10 x f1 = 10kHz f2= 10 x f2 = Análise: a) A partir das tensões em S, B e C encontre ac e . b) A partir das correntes de polarização encontre re, rπ e gm. c) A partir das tensões CA em S e B, encontre Ri = rπ + re e estime rx, isto é rx’. vc d) A partir de f1 e f2 com gm e RC, em combinação com (RB + rx’ ) || rπ encontre tanto Cπ quanto Cµ usando o efeito Miller para os dois valores de ganho. e) A partir das medidas AC em S e B para 10xf1, juntamente com os valores de Cπ, Cµ e o ganho, encontre um melhor valor para rx. Lembrete: Resistência do emissor Transcondutância Resistência da base re = VT / IE gm= IC / VT r = / gm MI MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA TE216 - Laboratório de Eletrônica II Prof. Alessandro L. Koerich Experimento 9 – Análise de Circuitos Circuito RLC-Série em Regime CA Objetivo Verificar o comportamento de um circuito RLC-Série em regime de corrente alternada. Componentes e Instrumentação Indutor (micro-choque) 1mH. Capacitor poliéster/cerâmico 100nF (104) Resistor 1kΩ. Osciloscópio Digital de Dois Canais e Ponteiras 1x Gerador de Funções Introdução O circuito RLC-Série é composto por um resistor, um capacitor e um indutor, associados em série, conforme mostra a figura abaixo. Na construção do diagrama vetorial visto na figura abaixo, consideramos como referência a corrente, pois sendo um circuito série, ela é a mesma em todos os componentes e está adiantada de ⁄ radianos em relação à tensão no capacitor e atrasada de ⁄ radianos em relação a tensão no indutor. Para fins de diagrama vetorial, utiliza-se a resultante, pois os vetores que representam a tensão no capacitor e a tensão no indutor têm a mesma direção e sentidos opostos, condizentes com os efeitos capacitivos e indutivos. Observando o diagrama, notamos que VLef é maior que VCef, portanto temos como resultante um vetor (VLef -VCef), determinado um circuito com características indutivas, ou seja, com a corrente atrasada em relação à tensão. No caso de termos VCef maior que VLef, obteremos um circuito com características capacitivas, ou seja, com a corrente adiantada em relação à tensão, resultando num diagrama vetorial, como mostrado na figura abaixo. Do diagrama temos que a soma vetorial da resultante com a do resistor é igual a da tensão da fonte. Assim sendo, podemos escrever: ( dividindo todos os termos por temos [ ] [ ] [ ) , temos: ] onde: portanto, podemos escrever ( ) ou √ ( ) que é o valor da impedância do circuito. O ângulo é a defasagem entre a tensão e a corrente no circuito e pode ser determinado por meio das relações trigonométricas do triângulo retângulo, em que: Como o circuito RLC-Série pode ter comportamento capacitivo ou indutivo, vamos sobrepor suas reatâncias, construindo o gráfico abaixo. Do gráfico da figura ao lado temos que para frequências menores que f0, XC é maior que XL e o circuito tem características capacitivas, como já visto. Para frequências maiores que f0, XC é menor que XL e o circuito tem características indutivas. Na frequência f0 temos que XC é igual a XL, ou seja, o efeito capacitivo é igual ao efeito indutivo. Como estes efeitos são opostos, um anula o outro, apresentando o circuito características puramente resistivas. Este fato pode ser observado utilizando a relação para cálculo da impedância: √ ( ) como temos que Como neste caso o circuito possui características resistivas, tensão e corrente estão em fase, assim sendo o ângulo é igual a zero. Como a frequência f0 anula os efeitos reativos, é denominada frequência de ressonância e pode ser determinada igualando as reatâncias indutiva e capacitiva: ( ) √ A partir do estudo feito, podemos levantar o gráfico da impedância em função da frequência para o circuito RLCSérie. Este gráfico é visto na figura abaixo. Pelo gráfico observamos que a mínima impedância ocorre na frequência de ressonância e esta é igual ao valor da resistência. Podemos também levantar a curva da corrente em função da frequência para o mesmo circuito. Esta curva é vista na figura abaixo. Pelo gráfico observamos que para a frequência de ressonância a corrente é máxima (I0), pois a impedância é mínima (Z = R). Quando no circuito RLC-série tivermos o valor da resistência igual ao valor da reatância equivalente ( ), podemos afirmar que a tensão no resistor (VR), é igual à tensão na reatância equivalente ( ). A partir disso podemos escrever: ( ) como: temos: √ ou dividindo por R, temos: √ ⁄ representa o valor de I0, ou seja, a corrente do circuito na frequência de ressonância, e como corrente no circuito na situação da reatância equivalente e igual à resistência, podemos relacioná-las como: ⁄ a √ √ Esse valor de corrente pode ocorrer em duas frequências de valores distintos, sendo denominadas respectivamente de frequência de corte inferior (fCi) e frequência de corte superior (fCs). Na figura ao lado é mostrado o gráfico da corrente em função da frequência com esses pontos transpostos. A faixa de frequências, compreendida entre a frequência de corte inferior e a frequência de corte superior, é denominada da Largura de Banda (Bandwidth), podendo ser expressa por: Prática 1mH 100nF XXXXX 1) Monte o circuito da figura ao lado. Ajuste a tensão do gerador de sinais para uma onda senoidal de 10V pico a pico. XXXX 2) Varie a frequência do gerador de sinais, conforme o quadro abaixo. Para cada valor ajustado, meça e anote a tensão pico a pico no resistor. 3) Calcule o valor eficaz da tensão no resistor ⁄ 4) Calcule o valor eficaz da corrente, utilizando ⁄ 5) Calcule a impedância utilizando f (kHz) VRp-p (V) VRef (V) Z (kΩ) Ief (mA) 1 5 10 15 20 25 30 40 60 80 100 500 1000 100nF 1mH 6) Utilizando o mesmo circuito ligado ao osciloscópio conforme a figura ao lado, XXXXX meça os valores de 2a e 2b para as frequências do quadro abaixo. 7) Calcule a defasagem entre tensão e corrente no circuito. XXXX 8) Construa os gráficos Z = f(f), Ief = f(f) e = f(f). 9) Determine a frequência de ressonância e as frequências de corte inferior e superior no gráfico Ief = f(f). 10) A partir dos dados obtidos, determine a Largura de Banda. f (kHz) 2a 2b 1 5 10 15 20 25 30 40 60 80 100 500 1000 11) Varie a frequência do gerador de sinais até obter 2a = 0. Anote o valor desta frequência no quadro abaixo. f0 (kHz) MI MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA TE216 - Laboratório de Eletrônica II Prof. Alessandro L. Koerich Simulação 9 – Análise de Circuitos Circuito RLC-Série em Regime CA Objetivo Verificar o comportamento de um circuito RLC-Série em regime de corrente alternada. Componentes e Instrumentação Indutor (micro-choque) 1mH. Capacitor poliéster/cerâmico 100nF (104) Resistor 1kΩ. Simulação 100nF 1mH XXXXX 1) Simule o circuito da figura ao lado. Ajuste a tensão do gerador de sinais para uma onda senoidal de 10V pico a pico. XXXX 2) Varie a frequência do gerador de sinais, conforme o quadro abaixo. Para cada valor ajustado, meça e anote a tensão pico a pico no resistor. 3) Meça o valor eficaz da tensão no resistor 4) Meça o valor eficaz da corrente ⁄ 5) Calcule a impedância utilizando f (kHz) VRp-p (V) VRef (V) Ief (mA) Z (kΩ) 1 5 10 15 20 25 30 40 60 80 100 500 1000 6) Calcule a defasagem entre tensão e corrente no circuito. 7) Construa os gráficos Z = f(f), Ief = f(f) e = f(f). 8) Determine a frequência de ressonância e as frequências de corte inferior e superior no gráfico Ief = f(f). 9) A partir dos dados obtidos, determine a Largura de Banda. f (kHz) 1 5 10 15 20 25 30 40 60 80 100 500 1000 10) Anote o valor da frequência para a defasagem zero no quadro abaixo. f0 (kHz) MI MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA TE216 - Laboratório de Eletrônica II Prof. Alessandro L. Koerich Experimento 10 – Fundamentos da Eletrônica Transistor MOSFET como Amplificador Objetivo Explorar uma aplicação fundamental dos transistores MOSFET. Explorar funções básicas do amplificador com MOSFET e parâmetros básicos do circuito. Componentes e Instrumentação CD4007 (inversores CMOS) Fonte de alimentação CC simétrica Resistores: (2) 10k, 1k, 10M Capacitor: 0,1F (100nF) (104) Multímetro digital Osciloscópio digital 1 14 2 13 3 12 4 11 5 10 14 13 2 11 1 6 12 7 6 9 7 8 8 3 4 5 10 9 Experimentos Apesar desta não ser uma topologia de amplificador apropriada para a maioria das aplicações, o circuito da figura abaixo possui a vantagem de ser simples e de fácil adaptação. A tensão V1 é uma fonte de tensão CC cujo objetivo é ajustar a componente CC de vGS e, portanto o valor CC de iD. A tensão V2 é uma segunda fonte de tensão CC com a qual podemos controlar o valor CC de vDS uma vez que o valor de ID é estabelecido. O capacitor C isola o nível CC em G, mas é grande o suficiente (comparada ao nível da resistência em G) para representar um curto-circuito para sinais na faixa de frequência de interesse. Parte 1 – Transcondutância do Dispositivo Objetivo: Avaliar a transcondutância (gm) do dispositivo. Montagem: Monte o circuito como mostrado na figura usando o NFET 345 (aquele cujos terminais são 3,4 e 5) com os substratos conectados apropriadamente a referência (terminal 7) e à V2 (terminal 14). Medidas: Inicialmente conecte o nó I à referência. Faça V2 = 6V e ajuste V1 até que VD = 5V. Meça V1. V2 V1 I R1 10kΩ A 5 D 3 G R2 1kΩ vi RG 10MΩ C 0,1µF Conecte agora o gerador de funções em I e aplique uma onda senoidal de 1 Vpp e 1kHz. RD 10kΩ 4 Visualize no osciloscópio as ondas em A e D. Use acoplamento AC no canal conectado em D. Calcule o ganho de tensão Av = vd / va de A para D. Assumindo que Av = gmRD, estime gm Preencha a tabela com os valores solicitados. V1 IC vb vc vc/vb gm Conecte novamente o nó I à referência. Faça agora V2 = 15V e ajuste V1 até que VD = 5V. Meça V1. Aplique uma onda senoidal de 1 Vpp e 1kHz em I, e visualize no osciloscópio as ondas em A e D. Calcule o ganho de tensão Av = vd / va de A para D. Assumindo que Av = gmRD, estime gm. Preencha a tabela com os valores solicitados. V1 IC vb vc vc/vb gm Parte 2 – Distorção para Grandes Sinais Objetivo: Explorar a distorção na forma de onda resultante da aplicação de grandes sinais. Montagem: Use o mesmo circuito da Parte 1 com V2 = 15V e V1 ajustado de modo que VD = 5V. Aplique uma onda triangular de 100mVpp e 1kHz em I. Medidas: Visualizar as formas de onda em A e D no osciloscópio nos canais 1 e 2 respectivamente. Ajuste o canal 2 para acoplamento AC e o canal 1 para inversão do sinal. Ajuste a posição e o ganho do canal 1 de modo que as formas de onda dos dois canais fiquem exatamente sobrepostas. Use ganho fino se necessário. Aumentar gradualmente a tensão do gerador de funções até que seja observada uma diferença de 10% na amplitude de pico dos sinais de entrada e de saída. Mude o canal 2 do osciloscópio (o que está conectado em D) para acoplamento CC e meça os valores dos picos da onda triangular. Análise: Considere a natureza da distorção que você está observando: Existem dois tipos de distorção, uma resultante das características quadráticas (relação iD e vGS) e outra devida a operação na região tríodo. MINISTÉRIO DA EDUCAÇÃO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ SETOR DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA MI TE216 - Laboratório de Eletrônica II Prof. Alessandro L. Koerich Simulação 10 – Fundamentos da Eletrônica Transistor MOSFET como Amplificador Componentes e Instrumentação CD4007 (inversores CMOS) Fonte de alimentação CC simétrica Resistores: (2) 10k, 1k, 10M Capacitor: 0,1F (100nF) (104) Experimentos Apesar desta não ser uma topologia de amplificador apropriada para a maioria das aplicações, o circuito da figura abaixo possui a vantagem de ser simples e de fácil adaptação. A tensão V1 é uma fonte de tensão CC cujo objetivo é ajustar a componente CC de vGS e, portanto o valor CC de iD. A tensão V2 é uma segunda fonte de tensão CC com a qual podemos controlar o valor CC de vDS uma vez que o valor de ID é estabelecido. O capacitor C isola o nível CC em G, mas é grande o suficiente (comparada ao nível da resistência em G) para representar um curto-circuito para sinais na faixa de frequência de interesse. Parte 1 – Transcondutância do Dispositivo Objetivo: Avaliar a transcondutância (gm) do dispositivo. Simulação: Simule o circuito como mostrado na figura usando o NFET 345 (aquele cujos terminais são 3,4 e 5) com os substratos conectados apropriadamente a referência (terminal 7) e à V2 (terminal 14). Medidas: Inicialmente conecte o nó I à referência. Faça V2 = 6V e ajuste V1 até que VD = 5V. Meça V1. V2 V1 I R1 10kΩ A 5 D 3 G R2 1kΩ vi RG 10MΩ C 0,1µF Conecte agora o gerador de funções em I e aplique uma onda senoidal de 1 Vpp e 1kHz. RD 10kΩ Visualize no osciloscópio as ondas em A e D. Use acoplamento AC no canal conectado em D. Calcule o ganho de tensão Av = vd / va de A para D. Assumindo que Av = gmRD, estime gm 4 V1 IC vb Preencha a tabela com os valores solicitados. vc vc/vb gm Conecte novamente o nó I à referência. Faça agora V2 = 15V e ajuste V1 até que VD = 5V. Meça V1. Aplique uma onda senoidal de 1 Vpp e 1kHz em I, e visualize no osciloscópio as ondas em A e D. Calcule o ganho de tensão Av = vd / va de A para D. Assumindo que Av = gmRD, estime gm. Preencha a tabela com os valores solicitados. V1 IC vb vc vc/vb gm Parte 2 – Distorção para Grandes Sinais Objetivo: Explorar a distorção na forma de onda resultante da aplicação de grandes sinais. Simulação: Use o mesmo circuito da Parte 1 com V2 = 15V e V1 ajustado de modo que VD = 5V. Aplique uma onda triangular de 100mVpp e 1kHz em I. Medidas: Visualizar as formas de onda em A e D no osciloscópio nos canais 1 e 2 respectivamente. Ajuste o canal 2 para acoplamento AC e o canal 1 para inversão do sinal. Ajuste a posição e o ganho do canal 1 de modo que as formas de onda dos dois canais fiquem exatamente sobrepostas. Use ganho fino se necessário. Aumentar gradualmente a tensão do gerador de funções até que seja observada uma diferença de 10% na amplitude de pico dos sinais de entrada e de saída. Mude o canal 2 do osciloscópio (o que está conectado em D) para acoplamento CC e meça os valores dos picos da onda triangular. Análise: Considere a natureza da distorção que você está observando: Existem dois tipos de distorção, uma resultante das características quadráticas (relação iD e vGS) e outra devida a operação na região tríodo.
