LAB5 Oscilador com UJT - SOL

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DE GOIÁS
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA
LABORATÓRIO DE ELETRÔNICA INDUSTRIAL
o
EXPERIÊNCIA N 4
Título:
Transístor de Unijunção - UJT
Objetivo:
Verificar o princípio de funcionamento do transístor de unijunção e a sua
aplicação em osciladores de relaxação.
Teoria:
O TRANSISTOR DE UNIJUNÇÃO (UJT)
O transistor de unijunção (UJT - unijunction transistor), como o próprio nome sugere é um
dispositivo semicondutor de três terminais, com apenas uma junção P-N. O UJT é fundamentalmente,
um dispositivo de chaveamento com diferentes propriedades em relação aos demais dispositivos
semicondutores. Entre essas propriedade pode-se destacar:
1- Sua tensão de disparo é aproximadamente uma fração fixa da tensão de alimentação, o que permite
que um oscilador de relaxação tenha freqüência de oscilação, independente da tensão da fonte.
2- O UJT possui uma região de “resistência negativa” bastante estável, o que sugere o seu uso em
osciladores e circuitos de disparo.
3- Freqüentemente, o uso do UJT em um circuito que se define a implementar uma determinada
função, reduz à metade o número de componentes que seriam necessários se fosse utilizado um
transistor bipolar. Isto implica em simplicidade e, portanto maior confiabilidade dos circuitos
resultantes.
4- Sua resistência interna, na condição “desativado” é relativamente elevada (5 a 10k).
5- O dispositivo necessita de baixos valores de corrente de disparo(2 a10A).
6- Os UJTs têm elevada capacidade de corrente de pulso (2 A ).
7- São disponíveis na saída (B1), tensões de pico relativamente elevadas (3 a 5V), que podem ser
usadas no chaveamento de tiristores.
Princípio de Funcionamento
A base para descrever o princípio de funcionamento do UJT será a figura 1.0
Fig. 1.0 – O UJT a) estrutura de barra. b) símbolo. c) composição da
resistência interbase rBB. d) circuito para explicar o disparo.
A figura 1.0 a) mostra a estrutura de barra de um UBJ que não é, na verdade, a estrutura dos
transistores de unijunção modernos, mas que serve aos propósitos da análise.
Em uma barra de material tipo N, levemente dopada, é soldado um terminal de alumínio, que é
um dopante aceitador. No processo de soldagem, a difusão de átomos de alumínio na barra N, faz com
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que surja uma região do tipo P, de dopagem elevada, que é chamada emissor (E). Os dois outros
terminais da barra são chamados base 1 (B1) e base 2 (B2).
Em relação aos terminais B1 e B2 , a barra nada mais é que um simples resistor, cuja resistência
depende de valores construtivos, ou seja, das dimensões e da dopagem. O símbolo do UJT é mostrado
na figura 1.0 b) com a flecha indicando o sentido da junção P-N. O circuito equivalente do UJT
mostrando a composição da resistência interbases é ilustrado na figura 1.0 c). Na figura 1.0d), o
circuito equivalente foi simplificado e acrescentados resistores externos e uma polarização VBB. Nota-se
que ambos os circuitos representam simples divisores de tensão formados pelas resistência r B2 e rB!,
com o emissor entre as mesmas. A tensão no ponto “x”, é portanto, uma fração fixa da tensão aplicada
entre as base (VB2B1).
Vx=VB2B1
rB 1
(rB 1  rB 2)
(1-0)
Como usualmente R1 e R 2 são desprezíveis em relação à rBB, na expressão (1-0) pode-se
substituir VB2B1 por VBB.
O diodo do emissor comporta-se como um diodo normal, ou seja, quando polarizado
reversamente, flui pelo mesmo, apenas uma corrente de fuga de baixo valor. Quando polarizado
diretamente, exibe uma queda de tensão em torno de 0,7V. A resistência r B1 é composta de uma
resistência fixa rS somada a uma componente de resistência negativa rn. Resistência negativa, significa
uma resistência que decresce à medida que a corrente que a atravessa aumenta. Em um resistor
convencional, se a corrente aumenta, pela lei de Ohm, a queda de tensão aumenta
(V = RI).
A figura 1.1 mostra a curva característica do UJT, na qual pode-se perceber a região de
resistência negativa a partir de um valor IP da corrente de emissor.
Fig. 1.1 – curva característica do UJT
A operação normal do UJT consiste em aumentar VE até que seja atingido o valor da tensão
de pico VP. Neste valor da tensão de emissor, o diodo passa a ficar diretamente polarizado e é dito
então, que o UJT foi disparado. A tensão VP, portanto, vale:
VP=VX + VD
(1-1)
Onde VD é a queda de tensão no diodo do emissor, com valor aproximadamente igual a 0,7V.
A partir de VE = VP, o UJT entra em sua região de característica em que exibe resistência negativa.
Com a junção P-N polarizada diretamente, há injeção em ambos os lados da junção. O aumento de
número de portadores na região da barra entre o emissor e a base 1, faz com que r B1 diminua. O
decréscimo de rB1 faz com que VX diminua, aumentando a corrente do emissor. O acréscimo na
concentração dos portadores produz uma nova redução no valor de rS . Este processo é regenerativo e
só cessa quando rB1 iguala rS. Isto ocorre porque o aumento na concentração de portadores na região de
base 1 faz com que aumente a probabilidade de recombinação dos mesmos, ocasionando uma
estabilização na concentração e, consequentemente em rB1. Este ponto é o vale (IV,VV) da característica
do UJT, a partir deste ponto a corrente do emissor torna-se uma função aproximadamente linear da
tensão e a resistência assume um valor positivo. A fig. 1.1 mostra que a partir do vale, a característica
do UJT aproxima-se da característica do diodo emissor-base 1, indicada por IB2=0 (base 2 em aberto).
Nomenclatura
É interessante apresentar a nomenclatura utilizada para expressar os valores que caracterizam
cada UJT.
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: razão intrínseca de equilíbrio (intrinsic standoff ratio) definido por:
=
rB 1
rB 1  rB 2
(1-2)
O valor de  pode variar entre 0,4 e 0,9 dependendo do tipo do transistor. A razão  determina a tensão
do ponto de disparo VP:
VP=VB2B1 + VD = VX +VD
(1-3)
VP =  VBB + VD (se R2 e R1<< rBB )
(1-4)
IP, VP : Corrente e tensão de emissor no ponto de pico da característica de emissor.
IV ,e VV: Corrente e tensão de emissor no vale da característica de emissor.
rBB: Resistência interbases medida entre B1 e B2.
VB2B1: Tensão interbases. Positivo em B2.
VD: Queda de tensão no sentido direto do diodo emissor.
O circuito da fig.1.2, mostra um oscilador de relaxação básico a UJT.
Suponha-se que inicialmente o capacitor C1 esteja descarregado. A tensão no ponto E será, portanto,
nula. Ao fechar-se a chave, a tensão no ponto X assume o valor  VBB se RB1 e R B2<<rBB, que é o que
normalmente ocorre. Como o capacitor não pode ter sua tensão variada instantaneamente, logo após o
fechamento da chave, a tensão no emissor VE, será nula. O UJT, portanto, está cortado.
Com o UJT cortado, para o capacitor o circuito resultante é o da fig. 1.3.
Fig.1.2 – Circuito básico de um oscilador a UJT.
Fig. 1.3 – Circuito equivalente para o capacitor quando o UJT está cortado.
Aplicando a Lei de Kirchhof para esta malha obtêm-se:
VBB – R1 -
1
C
t
 idt = 0
0
Esta equação diferencial tem como solução:
VE = VBB( 1 – e-
t
R1C1 )
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O capacitor, então, tende a carregar-se exponencialmente até o valor VBB= VP, ou seja, até ser
atingida a tensão de disparo do UJT. A partir deste ponto, o capacitor passa a descarregar através de
RB1, segundo a equação.
VC =VP * e-
t
RB1C1
Como o valor de RB1 é muito menor do que R1, a descarga é muito mais rápida. À medida que
o capacitor se descarrega, a corrente de emissor diminuí, atingindo um valor I V, a partir daí, o UJT
volta a bloquear, com o capacitor carregado com uma tensão V V. Assim, o ciclo se repete aparecendo
no final de cada carga do capacitor, um pulso na base 1 que é utilizado para o disparo de tiristores. A
fig. 1.4 ilustra as formas de ondas no oscilador.
Fig. 1.4 – Forma de onda no oscilador de relaxação.
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Material utilizado:
 Fonte de alimentação DC;
 Resistores de 1/8W – 200; 1,2k; 4,7k;
 Potenciômetro linear – 200k;
 Capacitor poliéster – 47nF/250V;
 Transístor de unijunção – 2N2646;
 Osciloscópio;
 Multímetro Digital;
Procedimento experimental:
1. Identifique os terminais do UJT 2N2646, e meça a sua resistência
interbase.
RBB = ___________[k]
2. Monte o circuito conforme fig.1.5.
+12V
pin1
200k
pin2
1,2k
47k
UJT –
2n2646
47nF
200
Fig.1.5 - Circuito do procedimento experimental
3. Com o potenciômetro desinserido (0k), verifique e desenhe as formas de
ondas das tensões no capacitor e no resistor R3 (200).
4. Meça o período e a frequência da tensão no capacitor.
T = _____________[mS]
f = ___________[Hz]
5. Com o potenciômetro totalmente inserido no circuito (200k), verifeque e
desenhe as formas de ondas das tensões no capacitor e no resistor R3
(200).
6. Meça o período e a frequência da tensão no capacitor.
T = _____________[mS]
Questões :
pin3
f = ___________[Hz]
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1. De acordo com as forma de onda no capacitor, verificada no item 3 do
procedimento experimental, determine o valor da tensão de vale (VV), e da
tensão de pico (VP) do UJT.
2. Detemine a frequência da tensão no capacitor e compare com o valor
medido no item 4 do procedimento experimental.
3. Repita o item anterior para o valor medido no item 6 do procedimento
experimental.
4. Para uma frequência de 5kz, qual deverá ser o valor do capacitor C no
circuito do procedimento experimental. Considerar o potenciômetro
totalmente inserido (200k).
Relatório:
Relate o que fez, incluindo título, objetivos da experiência, material
utilizado, procedimento experimental executado, resultados (dados, respostas às
questões, cálculos, esquemas de circuitos, tabelas e gráficos) .