Fundamentos de Electrónica Laboratório

(1)

Fundamentos de Electrónica

Laboratório

Transistor Bipolar de Junções

Regime estacionário

IST-2013/2014

2º Semestre

(2)

Laboratório de Fundamentos de Electrónica

TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNÇÕES- (regime estacionário)

Pretende-se estudar um transistor BC547/BC557 cujas características de catálogo são:

parâmetros hFEmin hFEmax fT_min(MHz ) IC_max(mA) VCE_0max( )V Pmax(mW Complementar (pnp) tipo )

BC547B 200 450 100 100 45 500 BC557B npn

max

0 ( 30V; 0A) 15nA CB CB E

I V = I = = I_EB_0max(V_EB =5V; I_C=0A) 100nA=

( 10V; 0A; 1MHz) 1,5pF C CB E e C V = I =i = f= = ( 10V; 0A; 1MHz) 11pF E EB C c C V = I =i = f= =

A placa de circuito impresso que serve de base às montagens a efectuar está representada na Fig.1.

J1 P1 P2 J2 C E J3 cc RE RE, CE RB1 RB2 RB CB RC CE RE1 RE ui u0 V1 V2 EC Tr J1 J2 J3 -Fig.1-

Estudam-se os regimes: estacionário e quase-estacionário de sinais fortes em amplificadores de emissor comum. E B C

(3)

PARTE A: SIMULAÇÃO/ANÁLISE TEÓRICA

Esta parte do trabalho não será executada ao longo da aula. Deverá ser realizada previamente e é entendida como uma preparação sobre o trabalho que se vai executar.

CARACTERÍSTICAS DE SAÍDA DA MONTAGEM DE EMISSOR COMUM Simulação

1. Desenhe no Schematics do PSPICE o circuito da Fig. 2. Para tal:

• Seleccione e coloque o transístor bipolar de junções QbreakN. Edite o modelo do transístor e introduza os parâmetros SPICE do transístor BC547, que são fornecidos em anexo no fim do presente guia;

• Seleccione e coloque os geradores de corrente e tensão DC do circuito (IDC e VDC, respectivamente designados

por IB e VCE);

• Coloque um rótulo de corrente no terminal colector, para definir a variável a ser colocada no eixo das ordenadas das curvas a traçar;

I B I CE V I BC547 vCE C E B -Fig. 2 -

2. Seleccione o botão “Analysis Setup” , active a análise DC Sweep e abra a respectiva caixa de diálogo. Escolha para varrimento horizontal a variável VCE em Voltage Source definindo como valores inicial e final de

varrimento 0 e 20 V, respectivamente, com um incremento de 0,1 V. Active Nested Sweep e defina como novo varrimento a nova variável IB. Os valores de varrimento inicial e final são agora 1 µA e 3 µA,

respectivamente, com um incremento de 1 µA. Faça Enabled Nested Sweep. Finalmente active Parametric, seleccione o parâmetro Temperature e Value List introduzindo os valores 20, 40. Desta forma, poderá visualizar a corrente de colector IC em função da tensão colector-emissor VCE, tomando como parâmetros a

corrente de base IB (3 valores) e a temperatura T (2 valores), esta definida com cores distintas para cada

(4)

REGIME DE SINAIS FORTES QUASE-ESTACIONÁRIO

Considere o circuito da Fig.3.

-Fig.3-

Análise teórica

3. Admita que u é uma onda triangular à entrada do circuito da Fig. 3 sem offset, com amplitude _I U_IM =5V (10 V pico a pico) e f=100Hz. Faça E_C=20V. Determine analiticamente as zonas de funcionamento do transístor ao longo de um período da tensão de entrada e esboce a forma de onda da tensão tirada do terminal do colector v_CE.

l Simulação

4. Desenhe no Schematics do PSPICE o circuito da Fig. 3. 5. Siga as seguintes indicações:

• Seleccione o botão “Analysis Setup” , active a análise Transient e abra a respectiva caixa de diálogo.

• Escolha como “Final Time” o valor 60ms e como passo (Step Ceiling) um valor que não ultrapasse os 10 µs.

• Registe, no mesmo gráfico, a variação temporal da tensão de colector v_CE

_{( )}

t e u t _I( );

6. Substitua u_I por um gerador de tensão V_DC. Seleccione Analysis Setup na opção DC Sweep-Type Voltage

Source e coloque em Name o nome dessa fonte. Em seguida preencha os seguintes campos:

Start Value=-20V; End Value=+20V; Increment=10mV

(5)

REGIME ESTACIONÁRIO Análise teórica E IB IC UCE RB1 = 300 kΩ EC RC = 3.3 kΩ B C RB2 = 82 kΩ RE = 3.3 kΩ BC547

+

-

-Fig.4-

7. Calcule por via analítica o ponto de funcionamento em repouso

(

I V I do circuito da Fig.4 admitindo _{C CE B}, ,

)

.

F hFE 300 e EC 20V

β = = =

PARTE B: TRABALHO EXPERIMENTAL

Material utilizado: Placa de circuito impresso;

Gerador de funções FG-503; Fonte de alimentação PS503A; Multímetros DM502A;

Traçador de características TEK571.

DEMONSTRAÇÃO-CARACTERÍSTICAS DE SAÍDA DE EMISSOR COMUM

A determinação das características estacionárias de saída do andar emissor comum do TBJ vai ser efectuada utilizando o traçador de características TEK571.

8. U_CE > 0

• Carregue no botão MENU e efectue a seguinte programação:

Function: Acquisition Type: npn (BC547) max CE V : 20 V max C I : 20 mA

(6)

I_b/step : 5 µA Steps : 10

R_load : 1 kΩ

P_max : 0.5 W

• Carregue no botão START. Observe as características I_C

₍

V_CE

₎

. As curvas terminam ao longo de uma recta associada a uma resistência de 1kΩ (limitação pela carga).

• Carregue no botão CURSOR. Coloque as marcas sobre a curva I_B =30 Aµ , uma para V_CE ≅2V e outra para V_CE ≅8V. Registe os correspondentes valores deh_FE. Este parâmetro corresponde ao ganho de corrente β_F. Determine a resistência incremental .r Imprima as características e carregue em _o COPY.

• Carregue no botão MENU. Faça:

max CE V : 100 V max C I : 5 mA / b I step : 0,5 µA Steps : 10 load R : 100 Ω max P : 0.5 W

• Observe as características e o valorU_CE₀, que corresponde à tensão de disrupção da junção colectora quandoI_B =0. Imprima as características pressionando o botão COPY.

9. V_CE < Troque as posições do emissor e do colector do transístor na ligação ao traçador de 0 características.

• Carregue no botão MENU e faça:

max CE V : 10 V max C I : 0,5 mA I_b/step : 5 µA Steps : 10 load R : 1 kΩ max P : 0.5 W

• Por um procedimento idêntico ao de 1. calculeβ_R

(

⇔h_FEno traçador

)

, posicionando os cursores sobre a curva I_B =15 Aµ para V_CE ≅3V. Registe o correspondente valor do ganhoh . Este parâmetro está _FE relacionado com o ganho de corrente inverso β_R.Note que na realidade o que tem é a corrente de emissor, no eixo das ordenadas, e −V_CE, no eixo das abcissas, uma vez que os terminais de emissor e de colector estão trocados.

(7)

• Imprima as características pressionando COPY. Observe as características e registe o valor deU_EC₀,que corresponde à tensão de disrupção da junção emissor-base quando I_B =0.

REGIME DE SINAIS FORTES QUASE-ESTACIONÁRIO

10. Coloque o ligador (jumper) J1 na posição inferior (P2) (Fig.1). Execute a montagem da Fig.5. Para tal:

• Ligue o gerador de funções FG-503 de modo a obter na sua saída uma onda triangular sem offset, de amplitude U_M =5V (10 V pico a pico) e frequência f=100Hz.

• Ligue a fonte de alimentação PS503A de modo a que E_C =20V • Coloque o emissor à massa (ligador J3 na posição esquerda).

Osciloscópio

(canal 1)

u

I

R

B

= 100 kΩ

v

CE

+E

C

= 20 V

R

C

= 3.3 kΩ

Osciloscópio

(canal 2)

C

E

B

-Fig.5-

11. Observe no osciloscópio as evoluções temporais de u e _I v (colocando o ligador J2 na posição superior). _CE Observe igualmente a função de transferência vCE

( )

u .i Registe as formas de onda observadas. A partir da

característica de transferência faça uma estimativa do valor do ganho em corrente β_F.

12. ,Mantendo E_C=20V, varie a amplitude da onda triangular de modo a fazer desaparecer uma das zonas de funcionamento observadas em 11. Registe o valor de UIM.

REGIME ESTACIONÁRIO

Considere a placa da Fig.1 e execute a montagem da Fig.6. Para tal: • Coloque J1 na posição superior (P1).

(8)

• Coloque uma resistência no emissor de valor R_E=3 3k, Ω (ligador J3 na posição central). • Faça E_C=20 V.

R

B1

= 300 kΩ

+E

C

R

C

= 3.3 kΩ

V

1

V

2

V

2

B

C

E

R

B2

= 82 kΩ

R

E

=

3.3 kΩ

-Fig.6-

13. Registe o valor do voltímetro V1. Registe igualmente os valores de V2, com o ligador J2 na posição superior (colector) e na posição inferior (emissor).

___________________________________________________________________________________________ ANEXO

Modelo PSPICE do TBJ BC547

Copiar este ficheiro e colar no editor do modelo do QbreakN:

.model BC547 npn bf=300 is=10e-15 vaf=100 br=1 nc=2 ikf=30m rb=120 re=0.3 tf=100p cjc=2p cje=11p xtb=1.5 *$