Experimento 4 – Características e Aplicações de Transistores

UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE
CENTRO DE ENGENHARIA ELÉTRICA E INFORMÁTICA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
LABORATÓRIO DE DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS
Experimento 4
Transistor Bipolar
Amplificador Classe A
LABORATÓRIO DE
DISPOSITIVOS ELETRÔNICOS
Guia de Experimentos
Experimento 4 – Aplicação de Transistor Bipolar de Junção
AMPLIFICADOR para pequenos sinais
Objetivos
Os experimentos de laboratório aqui apresentados têm por objetivo o
estudo e a observação da operação do transistor operando na região linear, funcionando
como um Amplificador Linear Classe A (transistor conduz durante os 360 graus do
sinal de entrada).
Verificação das condições de polarização do transistor bipolar. Medição
do ganho em tensão. Utilização do modelo AC do transistor na determinação do ganho
em tensão. Observação da influência do hFE do transistor no tipo de polarização
utilizado. Montagem de um amplificador com ganho variável. Observação da ocorrência
de distorção na saída do amplificador quando se opera na região não linear.
Introdução Teórica
Amplificador representa uma classe de circuitos eletrônicos que utiliza
uma pequena quantidade de energia para controlar uma quantidade maior. A relação
entre o sinal de saída e o sinal de entrada de um amplificador é denominada função de
transferência do amplificador, e a magnitude da função de transferência é denominada
de ganho.
Um amplificador possui inúmeras aplicações no campo da Engenharia
Elétrica, principalmente na área de Instrumentação Eletrônica, Controle e
Comunicações. É grande a diversidade de aplicações onde os amplificadores
transistorizados encontram emprego na engenharia elétrica.
Uma vez que muitos sinais provenientes de sensores produzem potenciais
com níveis de tensão muito pequenos (μV a mV), torna-se necessário amplificá-los para
se obter uma amplitude suficiente para que possam ser utilizados em diversas aplicações
práticas. O processo de adequação de um sinal ao nível desejado (no acaso,
amplificação) para uma aplicação especifica é chamado de condicionamento do sinal. O
sinal, normalmente advindo de um sensor (transdutor), é amplificado até o nível
necessário para a sua utilização em um processo de digitalização, gravação, excitação de
um alto falante, registro em um display gráfico ou, até mesmo, para acionamento de
motores.
Amplificadores são muito usados para amplificar sinais de provenientes
de sensores fotoelétricos, microfones, antenas, sinais biomédicos, sensores de grandezas
físicas não elétricas (transdutores) tais como pressão, temperatura e umidade, entre
tantos outros.
O transistor é um dispositivo ativo, portanto ele é capaz de amplificar a
potência do sinal de entrada. Pelo fato de ser um dispositivo ativo, ele necessita de uma
fonte de alimentação.
O Transistor como Amplificador
Para operar como amplificador, um transistor deve ser polarizado na
região ativa. Essa polarização deve ser previsível e insensível às variações de
temperatura, valores de β, etc. Essa exigência provém do fato de que a operação do
transistor como amplificador é altamente influenciada pelo valor quiescente da corrente.
A disponibilidade dos modelos de circuitos do TBJ para pequenos sinais
faz da análise dos circuitos amplificadores com transistores um processo sistemático.
Primeiro, é determinado o ponto de operação DC, ou seja, correntes IC, IB, IE e tensões
VC, VB e VE, e são calculados os parâmetros do modelo. Depois, são eliminadas as
fontes DC, o TBJ é substituído por um modelo de circuito equivalente (modelo π
híbrido ou modelo T) e o circuito resultante é analisado para determinar os parâmetros
desejados, por exemplo, ganho de tensão, resistência de entrada, etc. A seguir são
ilustrados os modelos de circuitos equivalentes para o TBJ.
ib
C
ic
B
ic
gmvbe
ou
αie
C
+
vbe
-
gm vbe
ou
βib
rπ
ib
B
+
vbe
re
-
E
gm =
IC
VT
ie
ie
; rπ =
E
β
gm
gm =
IC
VT
; re =
VT
α
=
IE g m
(a)
(b)
Circuitos equivalentes para o TBJ: (a) Modelo π híbrido; (b) Modelo T.
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Experimento 4
Transistor Bipolar - Amplificador
Aluno:
Mat:
Experimentos - Montagens
.
VT = 25mV
1° Experimento – AMPLIFICADOR LINEAR - Transistor operando na região
LINEAR – Polarização.
a) Monte o circuito da Figura 1A.
b) Determine RBB e VBB no circuito equivalente da Figura 1B.
c) Polarização - Meça, com um voltímetro, as tensões na base, emissor e coletor
do transistor. Determine VBE e VCE no ponto de polarização. Preencha a Tabela
I. Compare com os valores teóricos esperados.
d) Observe as condições de operação do transistor bipolar na região linear, ou
seja, tensão base-emissor diretamente polarizada e tensão base-coletor
reversamente polarizada.
e) Escreva a equação da reta de carga para este circuito e associe os valores
medidos com os do gráfico IC x VCE mostrado na Figura 2 e IC x VBE mostrado
na Figura 3A e 3B.
VB
VE
VC
VCC
RC
RE
RB1
RB2
12V
4K7
2K2
2K7
10K
VBE
VCE
IC
Tabela I
IE
PD
gm
Figura 1A
Figura 1B
Figura 2
Curva característica do transistor IC x VCE com reta de carga do circuito
Figura 3A
Figura 3B
2° Experimento – AMPLIFICADOR LINEAR - Transistor operando na região
LINEAR – Ganho em tensão.
f) Monte o circuito da Figura 4A. Observe a polaridade dos capacitores.
g) Conecte um gerador de sinal aplique uma tensão senoidal 50mV@1kHz na
entrada.
h) Conecte o osciloscópio e observe o sinal na saída Vo.
i) A partir dos valores medidos determine o ganho Vo/Vi.
j) Conecte o osciloscópio observe o sinal na saída Vo e na entrada Vi
simultaneamente.
k) Observe a relação de fase entre o sinal de entrada e da saída.
l) Aumente a intensidade da tensão aplicada na entrada Vi pelo gerador de sinal e
observe que o sinal na saída Vo apresenta-se com distorção. Isto ocorre porque
quando deixamos de operar na região de pequenos sinais (região linear).
Justifique teoricamente como este resultado era previsível.
m) Determine a potência de dissipação do transistor no ponto de operação
quiescente, ou seja, PD = IC x VCE.
VCC
RC
RE
RB1
RB2
12V
4K7
2K2
2K7
10K
CB
CE
Co
100μF 100μF 100μF
Figura 4A
n) Acrescente ao circuito da Figura 4A um capacitor de desacoplamento Co e uma
carga Ro=RC. Observe a polaridade do capacitor Co antes de conectá-lo ao
circuito. O circuito deve ficar como na Figura 4B.
o) Conecte um gerador de sinal aplique uma tensão senoidal 50mV@1kHz na
entrada.
p) Conecte o osciloscópio e observe a funcionalidade do capacitor Co sobre o sinal
na saída Vo. (O capacitor Co retém o nível DC da polarização no coletor,
deixando passar apenas a parte AC do sinal para a saída).
q) Determine o ganho Vo/Vi. Observe a influência do resistor de carga Ro sobre o
ganho. Compare com o ganho obtido no circuito da Figura 1A. Justifique com a
expressão do ganho. Preencha a Tabela II.
r) Observe que a inclusão dos capacitores não altera o ponto de polarização do
transistor.
s) A partir dos valores medidos determine o ganho em tensão Vo/Vi, a impedância
de entrada e a freqüência de corte;
t) Usando o osciloscópio observe o sinal na saída Vo e na entrada Vi
simultaneamente. Observe o defasamento entre o sinal de entrada e saída.
VB
VE
VC
VBE
VCE
IC
Tabela II
IE
PD
gm
Vo/Vi
Figura 4B
Modelo do circuito equivalente da Figura 4B
Vi
Vo
Vo/Vi
IC
gm
η
IS
rΠ
β
Amplificador com Ganho Variável
Em muitas aplicações é desejável ter-se um amplificador com ganho
variável. Circuitos com controle automático de ganho, moduladores de
amplitude (modulação AM) e amplificadores com ganho dependente de
uma variável física proveniente de um sensor (transdutor) são algumas das
aplicações desta classe de circuitos.
u) Monte o circuito da Figura 5.
v) Conecte um gerador de sinal aplique uma tensão senoidal 50mV@1kHz na
entrada.
w) Conecte o osciloscópio ao circuito e observe o sinal na saída Vo.
x) Varie o potenciômetro RE2 e observe a variação do ganho. Observe que se este
potenciômetro for substituído por um termistor (resistor dependente da
temperatura - sensor) temos um amplificador com ganho dependente da
temperatura (grandeza física não elétrica).
y) Escreva o Modelo equivalente para pequenos sinais do circuito da Figura 5.
z) Escreva a expressão para o ganho Vo/Vi e justifique a variação do ganho
observada.
Figura 5
Questões Teóricas
1. Qual a função de cada um dos capacitores CB, CE e Co?
2. Qual a função do resistor RE2? Ele tem influencia no ganho do amplificador? E
no ponto de polarização? Justifique usando as equações do circuito.
3. Como você projetaria um amplificador com ganho controlado pela luz
(Luxímetro – medidor de intensidade luminosa)?
4. Qual a influência do hFE (β) do transistor no ganho do amplificador de tensão
montado neste experimento? Você acha que isto se deveu ao tipo de polarização
utilizado? Justifique usando as equações do circuito.
Sugestão: Escreva a expressão para a corrente de polarização IC do circuito da
Figura 5 e observe a influencia do hFE.
Observação: Com relação a Figura 5, se o resistor variável (potenciômetro) RE2 for
substituído por um termistor (resistor dependente da temperatura) ou por um
fotoresistor (resistor dependente da luz) temos um amplificador com ganho
dependente da temperatura ou da luz, respectivamente. Enfim, se o resistor variável
(potenciômetro) RE2 for substituído por um sensor resistivo temos um amplificador cujo
ganho depende da variação deste sensor, ou seja, o ganho depende diretamente da
variação da grandeza física que altera a resistência do sensor.