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MASSACHUSETTS INSTITUTE OF TECHNOLOGY
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA E CIÊNCIA DA COMPUTAÇÃO
6.101 Laboratório de Introdução a Eletrônica Analógica
Laboratório Nº. 2
LENDO AS INSTRUÇÕES PARA A TAREFA
Você deve ter feito a leitura indicada sobre diodo no resumo do curso antes de fazer este
laboratório.
Para este laboratório, você necessitará consultar os manuais de instrução do curve tracer da
Tektronix 577-177 ou 575 [os manuais podem ser obtidos na janela do almoxarifado 38-501]. No
mínimo, você deve consultar à seção do manual intitulada aplicações que descreve como ajustar o
curve tracer para fazer medidas em dispositivos específicos tais como diodos, transistores bipolares,
etc.. Já que o 577-177 é um projeto ergonometricamente-desafiador, sugere-se fortemente usar o
modelo 575. As instruções simplificadas para os curve tracers modelo 575 são presas por corrente
aos instrumentos no laboratório e estão também disponíveis no almoxarifado. PERIGO: A ALTA
TENSÃO está disponível nos terminais do coletor de todo curve tracer dependendo do ajuste do
interruptor de tensão do coletor e da posição do potenciômetro variável do coletor. Certifique-se de
mudar o interruptor do seletor do transistor para posição “center off” antes de introduzir ou remover
o transistor, e manter suas mãos livres enquanto aplica a tensão. [esta tensão é pulsada e a corrente é
limitada, mas pode surpreendê-lo se tocar nos terminais do coletor!]
CONFIGURAÇÃO ESPECIAL DO CURVE TRACER: Um dos curve tracers foi modificado para
permitir que as curvas sejam exibidas no “Osciloscópio Tektronix de amostragem”. Quando as
curvas não estiverem tão claras quanto aquelas exibidas no display analógico, os novos
osciloscópios permitem imprimir suas exposições em um disco flexível. Eu sugiro que você use
tipos de arquivos .TIF para estas curvas. As instruções para usar o curve tracer híbrido estão
afixadas no equipamento. Isto economizará uma grande quantidade de curvas do dispositivo.
OBJETIVO!
Diodos! Diodos Zener! Transistores Bipolares! OpAmps! Fontes de Alimentação! Estes são alguns
dos dispositivos e circuitos fundamentais em eletrônica analógica. Você aprenderá mais sobre nosso
equipamento de teste, e estudará algumas das propriedades dos dispositivos acima. Você construirá
também três [3] fontes de alimentação lineares diferentes [não-chaveadas] e irá compará-las. Você
aprenderá como exibir as características de entrada e saída de alguns destes dispositivos em nossos
curve tracers antigos [mas ainda muito úteis].
Experiência 1: Fundamentos do Diodo: Construindo um simples amplificador logarítmico.
Nesta experiência, você aprenderá mais sobre o diodo estudando um amplificador simples de
logarítmico.
Amplificador Logarítmico Simples
VOUT
R
= − diode ; você também
VIN
1.0 KΩ
precisa saber que a entrada inversora, pino 2, é um terra virtual, neste caso, para ambos sinais
AC e DC]
[Sugerimos que você expresse Rdiode em termos mais úteis!]
[Você sabe que o ganho de tensão deste amplificador é AV = −
1. Construa o amplificador logarítmico mostrado na figura 1. Q 1.1 Qual é o relacionamento ideal
de entrada/saída VOUT versus VIN para este amplificador quando o diodo for polarizado
diretamente? Q1.2 para qual escala de tensão de entrada há um relacionamento logarítmico VOUT
versus VIN?
2. Quando o diodo é polarizado diretamente, o relacionamento tensão/corrente do diodo é dado por:
onde kT/q é a tensão térmica [≈26 mV na temperatura da sala] e IS é a corrente de saturação da
corrente reversa do diodo que depende das particularidades do dispositivo, da temperatura, etc..
Q 1.3 quando a corrente direta do diodo é incrementada por um fator de 10, quanto a muda tensão
do diodo?
Figura 1 –Circuito para experiência 1
3. Trace o relacionamento entrada/saída do amplificador para 10 mV < VIN < 1000 mV. Use o
controle de ajuste de offset DC em seu gerador de função para fornecer a fonte de tensão DC.
Certifique-se de que o sinal da AC do gerador esteja desligado. Para fazer isto, mantenha
pressionada a tecla OFFSET por dois segundos ou até ouvir um clique. Isto produzirá uma saída DC
pura sem nenhum sinal AC oscilando sobre ela. Coloque uma de suas pontas de prova na saída do
amplificador para observar a saída e certificar que o único sinal presente é um sinal DC. Você deve
usar seu DMM para ler primeiramente a tensão de entrada [ajustar um valor conveniente], e mover
então o DMM para o terminal de saída a fim de ler a tensão DC de saída. Meça para diversos pontos
para cada década da tensão de entrada e use eixos semi-logarítmicos; isto deve resultar em uma
curva linear em sobre os eixos semi-logarítmicos.
4. Q 1.4 Encontre o coeficiente do diodo IS de seus dados. Você necessitará saber que a corrente no
pino de entrada do amplificador operacional é insignificante comparada com a corrente através do
diodo, pelo menos nas tensões mais altas de entrada DC. Se você encontrar que o relacionamento
logarítmico entre a entrada e a saída desaparece em tensões CC de entrada baixa, pode ser devido ao
fato que a corrente no pino de entrada 2 é de mesma ordem de valor que a corrente através do diodo
em tensões de entrada baixas. Isto pode acontecer mesmo que o LM356 tenha um estágio de entrada
JFET, e assim corrente de polarização de entrada muitíssimo baixa.
5. Q 1.5 Meça o coeficiente aproximado da temperatura para a tensão do diodo, em mV/ºC.
[sugestão: isto pode ser feito com o diodo do seu circuito; queremos fazer uma estimativa muito
grosseira do coeficiente de temperatura do diodo. Um método possível para mudar a temperatura é
manter o diodo entre seu polegar e o indicador. Segure o diodo até que a tensão de saída pare de
mudar.] Q 1.6 Comente a praticidade de usar este amplificador em alguma peça onde a temperatura
pode variar extensamente [por exemplo, em uma peça de eletrônica comercial onde a temperatura
ambiental pode variar de 40ºF a 150ºF].
6. Substitua o 1N914 em seu circuito por outro 1N914 do seu kit ou das gavetas do
laboratório. No mesmo eixo, trace o relacionamento de V OUT /V IN . Q 1.6 Observe se existe
alguma diferença entre as duas curvas e explique o motivo.
Figura 2: Circuito para a experiência 2.
Experiência 2: Diodos Retificadores.
1. Use o curve tracer para medir as características de um diodo retificador 1N4001 do seu kit. [solde
fios com diâmetros menores ao seu diodo para encaixar no soquete do curve tracer; caso isso não
seja feito, você danificará o soquete. Ou, você pode unir o diodo ao curve tracer usando os bornes
obrigatórios.] Consulte à seção intitulada SINAL E DIODOS RETIFICARES na página 33 do
manual 577-177, ou use a configuração característica do diodo direto na página 4 do manual
anexado ao curve tracer 575 [anexado]. [As características diretas de um diodo zener e um diodo
normal ou diodo de sinal são medidas da mesma forma.] Em seu notebook do laboratório [ou em
uma parte separada de papel de gráfico linear que você possa introduzir no seu notebook do
laboratório] esboce as correntes características até 20 mA. Repita este esboço no papel semilogarítmico, usando escala logarítmica no eixo y [corrente].
2. Construa o circuito da figura 2. Aplique 100 hertz, 6 V pico a pico do gerador de sinal à entrada,
vin. Meça o valor de pico da tensão de saída e da fração de cada ciclo que o vout é zero.
3. Repita a parte 2 para uma tensão de entrada de 20 V pico a pico.
4. Aumente a freqüência do gerador de sinal para 10 kHz. Observe que o diodo não comuta
instantaneamente e que de fato o diodo conduz realmente a corrente negativa por uma pequena
quantidade de tempo. Este fenômeno é mais marcante em uma freqüência de 100 kHz. Isto é devido
ao fato que é necessário remover os portadores adicionais da junção do diodo antes que o diodo
possa suportar a tensão reversa. O tempo exigido para remover esta carga do diodo é conhecido
como o tempo de recuperação reversa [referenciado como tπ nas folhas de dados do diodo]. [o tπ é
definido como o tempo gasto para a corrente reversa cair a 1/10 da corrente direta antes da tensão
trocar a polaridade.] Meça o tempo durante o qual o diodo conduz a corrente reversa com a tensão
de entrada em freqüências de 10 Khz e de 100 kHz.
5. Substitua o diodo 1N4001 pelo diodo 1N914 do seu kit. Este diodo é um diodo de comutação e é
projetado para operar comutar em tempo muito mais rápido que 1N4001. Repita as partes 2 até 4
com este diodo. Entretanto, pode não ser possível medir o tempo da recuperação para este diodo.
Experiência 3: Fontes de Alimentação Simples.
Nesta experiência, você construirá os três circuitos básicos de fonte de tensão retificadas não
reguladas e irá comparar seu desempenho.
1. Use os terminais de 12,6 volts conectados no centro do transformador de potência [RMS] em seu
novo kit do curso 6.101 [caso de madeira], ou obtenha um transformador de potência montado em
uma caixa de alumínio com um plug AC com uma tomada de três pinos 120V, do almoxarifado, se
você tiver um dos kits velhos do curso 6.101. [o terceiro pino (redondo) deve aterrar a caixa de
metal e não é mostrado nos diagramas esquemáticos abaixo.] Construa os circuitos do retificador
da figura 3, usando RL = 100Ω [você necessitará de um resistor especial de 5 watts] e usando RL =
1000 Ω [Q 3.1 Que potência você necessita para este resistor?]. Gráficos são fornecidos para dados
de entrada. Os primeiros dados devem ser tomados antes que você instale quaisquer filtros de
capacitores eletrolíticos. Use seu osciloscópio e seu DMM na escala da AC para medir a tensão AC
no secundário do transformador, vsec.
2. Esboce e identifique a tensão de saída DC vout para cada uma das três conexões, outra vez sem
nenhum filtro de capacitor instalado. Identifique os valores pico a pico de saída.
3. Calcule o valor médio DC dos seus esboços.
4. Mova a sua ponta de prova e o DMM para o vout e meça os valores reais. Compare seus valores
calculados.
5. Instale os capacitores eletrolíticos e os resistores de carga representados no gráfico e faça as
medidas definidas no gráfico. Tenha cuidado para pegar a polaridade correta do capacitor para
evitar uma possível explosão ou outros danos a você ou ao capacitor. Você pode desejar colocar
seu osciloscópio sobre o acoplamento AC para visualizar de forma eficaz o ripple.
6. Repita o passo 2 com o menor filtro instalado. Identifique valores pico a pico de ripple. Reveja sua
tabela de dados e extraia algumas conclusões sobre a tensão de ripple baixa [desejável] versus o
tamanho do capacitor [1000 µF/25V eletrolítico custa $0,84; 470 µF/25V é $0,34] e a baixa tensão de
ripple versus o número de diodos [1N4001 custa $0,053]. Q 3.2 Que tensão no secundário do
transformador seria necessária para fazer a saída do circuito retificador de onda completa ser igual à
saída da ponte ou dos circuitos retificadores de meia onda?
3a) Diagrama do circuito retificador meia-onda
3b) Circuito Retificador de Onda completa
3b) Circuito Retificador de Onda completa em ponte
Figura 3: Circuitos para Experiência 3
Circuito
Meia Onda
Tabela para dados dos circuitos retificadores; Carga 100 Ω
Tamanho do Vsecondary
Vsecondary
Vout
Vripple
[p-p]
rms [DMM] DC [DMM]
[p-p]
Capacitor
nenhum
Freqüência de
Ripple
470 µF
1000 µF
1470 µF
Onda
Completa
nenhum
470 µF
1000 µF
1470 µF
Ponte
nenhum
470 µF
1000 µF
1470 µF
Circuito
Meia Onda
Tabela para dados dos circuitos retificadores; Carga 1000 Ω
Tamanho do Vsecondary
Vsecondary
Vout
Vripple
[p-p]
rms [DMM] DC [DMM]
[p-p]
Capacitor
nenhum
470 µF
1000 µF
1470 µF
Onda
Completa
nenhum
470 µF
1000 µF
1470 µF
Ponte
nenhum
470 µF
1000 µF
1470 µF
Freqüência de
Ripple
Experimento 4:Diodos Zener.
Como você verá, os diodos Zener têm um componente de tensão constante na sua característica
reversa V - I o que os tornam úteis como reguladores de tensão em fontes de alimentação simples e
como referências de tensão em fontes de alimentação mais complexas e em umas outras aplicações.
Figura 4: Circuito para experiência 4.
1. Use o curve tracer para medir as características do diodo Zener 1N754 de seu kit. Consulte à
seção intitulada DIODOS ZENER na página 35 do manual 577-177, ou na página 5 do manual
575. [seu ponto zener será uma tensão diferente daquele listado no manual.] Plote a característica V
- I do diodo para correntes de até 20 mA em ambos sentidos direto e reverso. 2. Construa o circuito
mostrado na figura 4. Meça a tensão no resistor R para R = 10kΩ, R = 1,0 kΩ, e R = 100 Ω.
2. Calcule o valor de R na figura 4 para que o diodo Zener não consiga fornecer o
regulamento da tensão. Verifique seu cálculo experimental. [Q 4.1 Explique porque o
Zener pára de regular para determinados valores de R. Sugestão: pense “divisor de
tensão” ou “divisor de corrente”.]
Experiência 5: Transistores Bipolares.
Nesta experiência, você verificará as características básicas dos transistores bipolares. Nas
experiências posteriores você olhará algumas aplicações práticas destes dispositivos. Para o
transistor número 1 somente, esboce, desenhe ou imprima as curvas exibidas pelo curve tracer no
papel gráfico linear. Papel com grade de 0,25 polegadas será suficiente. Você necessitará de quatro
[4] transistores 2N3904 NPN de seu kit ou das gavetas do laboratório.
1. Use o curve tracer para medir as características de um transistor 2N3904 NPN de kit. Identifique
este transistor como o número 1 de modo que você possa o distinguir dos transistores 2N3904
restantes do kit. Consulte a seção intitulada TRANSISTORES BIPOLARES na página 19 do
manual 577-177, ou às páginas 9ff no manual 575 [página 9 anexo]. Especificamente, ajuste o curve
tracer para medir a corrente de coletor IC do transistor em função da tensão de coletor-emissor VCE
para 10 valores de corrente da base espaçados de 5 µA. Ajuste o controle MAX PEAK POWER
WATTS em 0,6 watts [apenas no modelo 577-177].
Figura 5: Circuito para experiência 5
2. Calcule o beta do grande-sinal βF= IC / IB deste transistor para cada valor de corrente da base em
tensões de coletor-emissor de 5 e 10 volts.
3. Calcule o beta do pequeno sinal βo = ∆ IC / ∆ IB para o transistor em função da corrente baixa da
base para tensões de coletor-emissor de 5 e 10 volts.
4. Meça βF para cada um dos três transistores 2N3904 restantes. Não faça um conjunto extensivo
de medidas. A idéia aqui é simplesmente comparar os transistores e será suficiente medir seus
betas em tensões coletor-emissor de 5 volts e em correntes de coletor de 1 mA. Certifique-se de
identificar cada um de modo que você possa os identificar para o uso em experiências posteriores.
5. Selecione o transistor 2N3904 com o maior βF baseado nos resultados de seu teste. Construa o
circuito da figura 5. Baseado em suas medidas deste transistor particular, calcule os valores de RB
tais que o valor da tensão Vout seja aproximadamente 7 V. Usando os resistores de seu kit,
aproxime este valor de RB em seu circuito e verifique seu cálculo. Q 5.1 Que fatores determinam a
proximidade que você pode chegar do valor desejado DC da tensão de saída?
6. Agora selecione o transistor 2N3904 com o mais baixo βF de seu kit. Substitua este transistor
pelo um em seu circuito e meça o valor da tensão Vout. Calcule o valor de RB requerido com este
transistor para obter uma tensão da saída de aproximadamente 7 V e verifique experimentalmente
isto outra vez
7. Selecione um transistor 2N3906 PNP de seu kit. Usando o curve tracer, meça a corrente de
coletor IC do transistor em função da tensão coletor-emissor VCE para 10 valores de corrente
espaçados de 5 µA. Calcule o beta do grande sinal beta βF= IC / IB deste transistor para cada valor
da corrente de base em tensões de coletor-emissor de -5 e -10 volts.
A seguinte nota da Agilent [anteriormente Hewlett-packard] explica como ler o valor da onda semisenoidal que o retificador de meia onda gera, se você estiver tendo o problema comece a leitura
apropriada. A leitura correta deve ser sobre a tensão de pico dividida por π.
O 34401A na escolhe automaticamente a escala muito bem quando mede sinais AC no modo DC.
Considerando que o AC integra fornecendo valores baixos, escolhe a escala errada, ou seja, muito
baixa e por isto a entrada fica fora da escala. Você tem selecionar manualmente uma escala onde o
sinal da AC não corte (não sature). Para 17V de pico você necessitará de uma escala 100V. Então
ele deve trabalhar corretamente.
O tempo de integração pode ser ajustado com o comando MEAS, do menu ou das teclas com os
dígitos azuis e os números azuis 4.5.6. Para usá-los pressione a tecla shift (também azul) e
depois a tecla, por exemplo se você quiser mudar para 4,5 dígitos pressione shift e depois a tecla
com seta para baixo (ela tem o 4 em azul acima dela).
O tempo de integração não afetará esta medida a menos que ele seja menor do que um período
completo do sinal que você está medindo. Já que este é um sinal de 60Hz qualquer coisa com um
NPLC de 1 ou o mais irá funcionar.
Sim poderíamos ter feito a auto-escala do algoritmo funcionar neste tipo do sinal, mas ele o
tornaria muito mais lento e a maioria de usuários quer que ele trabalhe rapidamente e DC.
Hal Wright
Agilent Technologies”
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CAMBRIDGE, MASSACHUSETTS 02139
COMO AJUSTAR O PASSO-ZERO NO CURVE TRACER 575
1. Primeiramente, certifique-se de que as exposições verticais e horizontais estão zeradas:
Mantenha o interruptor de calibração para cada uma em zero, e posicione o ponto tal que se
localize no canto esquerdo inferior da grade para dispositivos NPN, e no canto direito superior da
grade para dispositivos PNP. Isto é feito melhor sem nenhum transistor em teste conectado
[TUT], e com o potenciômetro VOLTS PEAK girado inteiramente para CCW.
2. Em seguida, introduza, para este exemplo, um dispositivo NPN no soquete de teste, e ajuste o
ganho vertical para 0.5mA/DIV, e o ganho horizontal para 2V/DIV. Ajuste a corrente de base
para 0,005 mA/STEP, ajuste a chave para “Repetitive” e gire o controle de STEP ZERO
inteiramente no sentido horário.
3. Ajuste o potenciômetro STEPS/FAMILY inteiramente CCW para 4 STEPS/FAMILY. Você na
realidade verá CINCO passos, o passo IB = 0, e então os 4 passos que correspondem a IB =.005
mA,.010 mA,.015 mA, e.020 mA.
4. Uma vez que verificado que há cinco passos, aumente agora o seletor de passos da corrente de
base para 0,01 mA/por Passo. As etapas superiores desaparecerão mas será mais fácil ver 0th
passo.
5. Empurre a chave ZERO CURRENT e anote onde o 0th passo cai. Solte a chave e ajuste o
potenciômetro de PASSO ZERO em CCW até que o 0th passo se desloque para baixo da linha
inferior na grade [ IC=0, IB=0]. NÃO GIRE MAIS O BOTÃO!. Se você continuar a girar o botão,
o traço do 0th passo não irá baixar mais, mas os 1º, 2º, 3º e 4º traços etc. irão se deslocar para
baixo e assim perder a calibração. Você pode querer alternar empurrando e liberando o interruptor
ZERO CURRENT enquanto você girar o botão de passo zero.
6. Você não deve ter que repetir esta calibração a menos que você use um transistor PNP ou
alguma outra pessoa vier e decidir fazer impropriamente este ajuste!
7. Quando você ver as curvas para os JFET’s neste curve tracer, certifique-se de conectar o
resistor de 1000 ohms através dos terminais do emissor e da base para converter a corrente de
base em mA para tensão em volts na porta. Então, quando você fizer o procedimento de
calibração acima, assegure em ajustar o interruptor em ZERO VOLTS durante o procedimento de
calibração.
Tempo de recuperação reversa
Para maiores informações sobre tempo de recuperação reversa, olhem o artigo escrito por Anton
Kruger em
http://www.chipcenter.com/eexpert/akruger/akruger004.html