PARTE 1. Transistores como Chave de Potência Introdução Projeto (transistor como chave de potência)

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PARTE 1. Transistores como Chave de Potência

1.1. Introdução

Esta parte da experiência tem como objetivo estudar o comportamento de transistores operando como chaves. Vamos observar as formas de onda envolvidas em circuitos de chaveamento e medir tempos de descida e armazenamento/atraso.

1.2. Projeto (transistor como chave de potência)

Chaveamento do transistor bipolar MJE2955

C

f1

// C

f2

Figura 1: Circuito de chaveamento do transistor bipolar PNP

Precisamos conhecer as tensões V2 e V1 (correspondentes a iB2 e iB1) no ponto

A

para chavear o transistor bipolar do corte à saturação e vice-versa. Como mostra a figura 1, implementamos o sinal desejado (no ponto A) empregando um gerador de pulsos na entrada do circuito que fornece os níveis VG2 (>0) e VG1 (<0). Este gerador de pulsos será ajustado para um período de 0,5ms e uma largura de pulso de 20% do período (25µs).

Para determinarmos quais tensões V2 e V1 correspondem respectivamente a quais tensões VG2 e VG1 e vice-versa, devemos observar que na entrada do circuito temos uma malha composta pelo gerador (fonte ideal + resistência série de 50Ω) e pela malha de entrada do circuito (RB + impedância de entrada do transistor). Note que

neste circuito a resistência do gerador não é desprezível face às resistências do circuito que alimenta.

O transistor bipolar pode ser substituído por um dos modelos (corte ou saturação) apresentados na figura 4 do texto teórico. Levando isso em consideração, pede-se: a) Determinar as expressões analíticas para vA(t) e iB(t), em função de vG(t),

identificando quais os valores de V1, V2, iB1 e iB2. Considerar que o transistor bipolar a ser empregado é o transistor bipolar de potência MJE2955 (silício) com VBEsat = -0,65V e VCEsat = -0,5V. Se necessário, considere RC = 22Ω/2W e RB = 27Ω (valores da placa).

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B–2 Laboratório de Eletrônica – Exp. 3

Para essa determinação das expressões analíticas, considerar três situações, ilustradas na figura abaixo.

Para cada situação, desenhe o circuito equivalente substituindo o transistor pelo modelo adequado e estabeleça as equações para o circuito.

• A situação de corte, onde o transistor PNP está cortado e o gerador vG(t) está em VG2 (que define V2 e a corrente de base nula).

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• A situação de saturação, onde o transistor PNP está saturado quando o gerador vG(t) está em VG1 (que define V1 e iB1).

• A situação que ocorre durante o tempo de armazenamento, quando o transistor PNP ainda está saturado e o gerador vG(t) já chaveou para VG2

(que define iB2). Note que este caso não foi equacionado em nossa análise

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b) Considere vG(t) como uma onda retangular de 5,1 V de amplitude pico a pico e com offset de -1,1 V. Determine VG2 e VG1. Esboce as formas de onda de VA(t), iB(t), iC(t) e vCE(t) sincronizadas no tempo, apenas representando (não é preciso calcular) os tempos de subida, descida e armazenamento, e determinando (estes sim, você pode calcular) V1, V2, V3, IB1, IB2 e ICsat.

Ger. Func.

(Amplitude p-p) Ger. Func. (Offset)

V1 V2 IB1 IB2 ICSAT

5,1V -1,10V

OBS.: Não se esqueça de preparar também os itens de projeto da Parte 2 – Retificador Controlado de Silício.

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1.3. Procedimento Experimental

O transistor bipolar operando como chave

a) Anote na tabela o valor nominal e as tolerâncias dos resistores e capacitores empregados na placa (não é para medir).

TR bipolar RB RC Cf1 Cf2

Valor Nominal Precisão

b) Calibre as duas pontas de prova em x10, CUIDADOSAMENTE, utilizando o sinal de pulso fornecido pelo osciloscópio. Este procedimento é muitíssimo importante neste experimento uma vez que efetuaremos medidas de tempos! Utilize o modo de acoplamento CC em todo experimento.

c) Vamos obter os patamares de V1 e V2 esperados de projeto utilizando o gerador de

função. Para definir os valores VG1 e VG2 para o gerador devemos, no entanto,

especificar a amplitude pico-a-pico do sinal (que excursiona em torno de zero) e o valor do offset que desloca o sinal em torno do zero. Para isso, monte o circuito da figura 1. Conecte o gerador de pulsos ao circuito através de um cabo BNC-BNC, ajustando para onda retangular, período para 25µs (40 kHz), duty cycle 80% (SHIFT

%DUTY; 80; ENTER), impedância em high Z (isto é, menu D: SYS MENU; 1: OUT

TERM: HIGH Z; ENTER), amplitude = 5,1 V, offset = 0V. Nesta situação, com o osciloscópio no modo CC, sincronismo externo fornecido pelo gerador, imprima a forma de onda em VA (indicando os valores dos patamares V1 e V2) [Anexo 1.A].

d) Altere o valor de offset para –1,1 V. Imprima a forma de onda da tensão no ponto A sincronizada com a forma de onda da tensão sobre RB (isto é VA-VB) [Anexo 1.B]

e a seguir imprima a forma de onda da tensão no ponto A sincronizada com a tensão de coletor (VC) [Anexo 1.C]. Destaque claramente sobre as formas de onda os tempos de subida, descida e armazenamento além de V1, V2, iB1, iB2.

Obs. 1: Observar que se está medindo iB(t) indiretamente através da tensão sobre RB e iC(t) indiretamente através da tensão de coletor (note que esta última nada mais é do que o complemento da forma de onda de iC(t) ).

Obs. 2: Manter sempre os terras das duas pontas de prova no emissor do transistor (Terra).

Obs. 3: Para medir a tensão sobre RB, medir simultaneamente VA e VB, inverter a forma de onda de VB (INVERT) e somar os dois canais (tecla ±, function 1 ON, function 1 MENU, ADD).

Atenção: Para obter o sinal desejado (VRB = VA - VB) os dois canais devem ter as mesmas escalas de tensão. Observar se a forma de onda iB(t) obtida corresponde à forma de onda da figura do item 1.2. b.

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e) Preencher a tabela abaixo seguindo o procedimento do item anterior, ajustando adequadamente para cada caso o gerador de funções.

Ger. Func.

(Amplitude p-p) Ger. Func. (Offset)

V1 V2 IB1 IB2 ts tq tA

5,1V -1,10V 7,1V -2,08V 6,1V -2,60V 8,1V -1,60V

f) Compare os valores experimentais obtidos na primeira linha com aqueles calculados no projeto. Justifique eventuais discrepâncias.

g) Comente o comportamento dos tempos de resposta do transistor (ts, tq e tA) no item acima, relacionando-os às grandezas IB1 e IB2.

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PARTE 2. SCR (Retificador Controlado de Silício)

O objetivo desta parte da experiência é o estudo do Retificador Controlado de Silício (SCR). Este dispositivo é utilizado em diversas classes de aplicações para controlar a potência fornecida a uma carga.

2.1. Projeto (SCR)

a) No circuito da figura 1, provar que o valor de P para um dado θ desejado é dado por:

R

E

R

sen

P

B G B

×

−

×

=

6 ,

0 )

(

θ

b) Para o circuito da figura 2, calcular o valor de P para cada um dos ângulos de disparo da tabela abaixo. Adotar EG=25,5V.

θ (graus) P calculado (Ω) θmin= 20 30 40 50 60 70 80 θmax=

c) Desenhe em papel milimetrado o gráfico P calculado em função de θ para o circuito da figura 2 [Anexo 2.A].

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2.2. Procedimento Experimental (SCR)

Circuito de Disparo CA de 0 a 90 graus

Figura 2: Circuito Didático com SCR

a) Medir o valor eficaz da tensão eg(t) fornecida pelo secundário do transformador. Medir também o valor de pico Eg.

eg =

Eg =

b) Com o osciloscópio ajustado para acoplamento DC, conecte uma ponta de prova na entrada eg(t) (ponto 2 da fig. 2), a outra ponta no anodo do SCR (ponto 1 da fig. 2) e os terras do osciloscópio no ponto “0” do circuito. Use o sincronismo do osciloscópio no modo LINE, pois nesse modo há o sincronismo com a rede elétrica (line).

c) Para θ=50 graus (visualizando ao menos um período completo), imprima conjuntamente as formas de onda de eg(t) e anodo [Anexo 2.B] e a seguir imprima conjuntamente as formas de onda de eg(t) e porta (gatilho) [Anexo 2.C].

d) Varie o valor de P para obter os ângulos de disparo experimentais desejados para o preenchimento da segunda coluna da tabela a seguir. Utilize os cursores do osciloscópio para fazer as medidas (seção Measure, botão cursor).

θ (graus) P calculado (Ω) P experimental (Ω) θmin= 20 30 40 50 60 70 80 θmax=

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e) O θmax obtido experimentalmente coincidiu com o esperado? Justifique.

f) Na mesma folha de papel milimetrado em que você preparou o ítem 2.1.c, antes de vir ao laboratório [Anexo 2.A], traçe os gráficos de P experimental e teórico (recalculado para o valor medido de Eg) em função de θ.

g) Comente as possíveis causas das discrepâncias entre as três curvas. Analise se é possível fazer a curva teórica se aproximar mais da curva experimental reajustando-se o valor de VGT, que foi considerado igual a 0,6 Volts no cálculo

teórico. O valor de VGT do SCR de sua bancada deve estar acima ou abaixo de 0.6

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