apostila laboratório de dispositivos eletrônicos_ufpi

8/10/2019 Apostila Laboratório de Dispositivos Eletrônicos_UFPI

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PIAUÍ

DEPARTAMENTO DE ENG. ELÉTRICA

DISCIPLINA DE ELETRÔNICA ANALÓGICA

PRÁTICAS DE LABORATÓRIO

PROFESSORES:

DISPOSITIVOSELETRÔNICOS

Otacílio da Mota Almeida



SUMÁRIO páginas

APRESENTAÇÃO ........................................................................................................................... 1

PRÁTICA Nº 01 – CURVA CARACTERÍSTICA DO DIODO ....................................................... 2

PRÁTICA Nº 02 – RETIFICADORES MONOFÁSICOS DE MEIA ONDA E ONDACOMPLETA SEM E COM FILTRO CAPACITIVO ....................................................................... 5

PRÁTICA Nº 03 – FONTE DE TENSÃO REGULADA A DIODO ZENER ................................ 11

PRÁTICA Nº 04 – CURVAS CARACTERÍSTICAS DO TRANSISTOR TBJ ............................. 15

PRÁTICA Nº 05 – TBJ OPERANDO COMO CHAVE .................................................................. 19

PRÁTICA Nº 06 – TBJ OPERANDO COMO AMPLIFICADOR DE SINAIS ............................. 23

PRÁTICA Nº 07 – CURVAS CARACTERÍSTICAS DO TRANSISTOR FET ............................. 27

PRÁTICA Nº 08 – FET OPERANDO COMO CHAVE ................................................................. 31

PRÁTICA Nº 09 – FET OPERANDO COMO AMPLIFICADOR DE SINAIS ............................. 37

PRÁTICA Nº 10 – CIRCUITOS COM AMPLIFICADORES OPERACIONAISErro! Indicador não definido.

PRÁTICA Nº 11 – APLICAÇÕES PRÁTICAS COM LM741 .........Erro! Indicador não definido.

PRÁTICA Nº 12 – FILTROS ATIVOS .............................................Erro! Indicador não definido.

PRÁTICA Nº 13 – FONTE AUXILIAR REGULADA A TRANSISTOR COMPROTEÇÃO DE CURTO-CIRCUITO ..............................................Erro! Indicador não definido.

PRÁTICA Nº 14 – CIRCUITOS REGULADORES INTEGRADOSErro! Indicador não definido.

PRÁTICA Nº 15 – MODULAÇÃO PWM COM LM 555 ................Erro! Indicador não definido.

ESTRUTURA PARA FORMATAÇÃO DOS RELATÓRIOS .........Erro! Indicador não definido.



Universidade Federal do Piauí – Laboratório de Eletrônica Analógica. 1

APRESENTAÇÃO

A apostila de práticas de Laboratório referente à Disciplina de Eletrônica Analógica

consiste: edição, estruturação e adequação das práticas antigas do laboratório. As novas

práticas incluem ótima didática, organização e clareza, as quais contornam problemas e

dúvidas sugeridas por alunos e professores que utilizaram o material durante os semestres

anteriores a 2011/I.

Sendo assim, é apresentado o objetivo geral: fortalecer o incentivo ao aprendizado e

moldar o perfil do estudante direcionado à área de estudo da eletrônica; e de forma

semelhante são apresentados os objetivos específicos: adequar à aplicação prática o

conteúdo da disciplina, criar roteiros conforme o conteúdo ministrado semanalmente eimpor estrutura lógica na elaboração da prática.

Uma organização da estrutura dos roteiros de prática foi estabelecida de modo que

um encaminhamento lógico durante a realização do experimento possa ser seguido.

Aos alunos, este trabalho pretende contribuir de forma satisfatória no processo de

ensino-aprendizagem, de modo que literaturas complementares possam ser utilizada em

complementação ao processo de ensino.




PRÁTICA Nº 01 – CURVA CARACTERÍSTICA DO DIODO

1. OBJETIVOS

O objetivo principal desta prática é o levantamento das curvas características do diodomediante simulação e experimentação.

2. INFORMAÇÃO TEÓRICAO comportamento da curva característica I = f(v) do diodo real e o modelo de segmentos

lineares utilizados na determinação dos seus parâmetros são ilustrados na Figura 1(a) e (b),respectivamente. O comportamento da curva exponencial é dependente do material que constitui a

junção, sua área e a variação de temperatura, apresentando assim uma queda de tensão específica para o componente (0,6 a 0,8 V para o diodo de silício). Ter o conhecimento dos parâmetros domodelo do diodo é bastante comum em aplicações, onde é desejável analisar as perdas docomponente quando em condução. A partir da análise gráfica da Figura 1(a) e do modeloapresentado na Figura 1(b), as Eqs. (1), (2), (3), (4) e (5) são obtidas e tratam: a resistência médiado componente ( Rav), o modelo de segmentos lineares adotado, a expressão geral da potência no

componente, a potência média dissipada no componente na forma integral do valor médio eresultado da potência média, respectivamente. Nota-se que a Eq. (5) é composta por umacomponente de corrente média e uma componente de corrente eficaz ao quadrado.

R

Vfo

DId av

Figura 1 - (a) Curva característica e (b) modelo segmentos lineares do diodo.

N

O N

If

Vf Vf Rav

(1)

Id RavVf Vd O . (2)

2...)( Id Rav Id Vf Vd Id t p O D (3)

dt t pT

t Pd

T

Dmed .)(.1

)(0 (4)

2..)( ef med Omed Id Rav Id Vf t Pd (5)




3. ESQUEMÁTICO DO CIRCUITO

O esquemático do circuito experimental é ilustrado na Figura 2.

D1

R1

0

A+ -

Vd

+

-

Id

Vi+

-

0...10 A

V0...2 V

Figura 2 - Esquemático a ser montado durante o experimento.

4. ESPECIFICAÇÕES, CONSIDERAÇÕES E MATERIAL UTILIZADO

A seguir é apresentada a seguinte especificação:

Vi = 0 a 2,7 [V] [Tensão contínua variável a ser aplicada à entrada].

Para o projeto devem ser tratadas as seguintes considerações:

If MAX = 0,90 [A] [Corrente máxima adotada no diodo];

Vf N = 0,70 [V] [Queda de tensão nominal no diodo]; e

D1 1N4007 [Diodo selecionado].

Os instrumentos e os equipamentos utilizados nesta prática são listados a seguir:

Voltímetro (1);

Amperímetro (1); e

Fonte de tensão CC (1).

5. ANÁLISE COMPUTACIONAL

Conforme as informações apresentadas nos itens (2), (3) e (4), antes de ser realizada a montagemexperimental é necessário:

a) Determinar e especificar o valor das resistências comercial, bem como a potência dissipada; e

b) Simular o circuito no ORCAD referente ao procedimento, analisar resultados esperados e preencher a Tabela 1 para os resultados simulados.

6. PROCEDIMENTO

a) A partir do esquemático apresentado na Figura 2 e dos resultados obtidos durante a análisecomputacional monte o circuito experimental. Mantenha a fonte Vi desligada.

b) Ligue a fonte Vi e ajuste a tensão desta de modo que a corrente medida pelo amperímetro seja aexigida na Tabela 1, meça a tensão Vd com o voltímetro e preencha a Tabela 1.

Tabela 1. Resultados experimentais e simulados.

Id (A) 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 0,90

Vd (V) Simulado

Vd (V) Experimental




7. QUESTIONÁRIO

a) Traçar as curvas I=f(v) simulada e experimental utilizando a Tabela 1.

b) Determinar a resistência média Rav referente às curvas I = f(v) simulada e experimental traçadasanteriormente.

c) Como a temperatura influencia na curva característica do diodo?

d) Determine a temperatura da junção do diodo fazendo uso das características térmicas do diodoadotado, onde deve ser considerada a temperatura ambiente de 25ºC para I(A) igual a 0,8 A (comoaproximação utilize a curva experimental obtida) conforme a Tabela 1.

e) Comente a respeito dos resultados obtidos com o experimento e seu respectivo circuito simuladocorrespondente.

f) Pesquise a respeito dos tipos de diodos: Schottky, Tunnel e Varicap.

8. APÊNDICE

PLANILHA 1: Cálculo da resistência série 1. Especificações:

Vi 2. [V] [tensão na fonte de entrada]

2. Considerações:

IdM 0.9 [A] [corrente inicial no diodo]

Vd 0. [V] [queda de tensão no diodo]

R adot 18 [] [resistência adotada]

Padot 0.2 [W] [potência dissipada no resistor]

3. Análise teórica:

i. determinando resistência e potência

R1Vi Vd

IdM R1 2.222 []

PR1 Vi Vd( ) IdM PR1 1.8 [W]

adota-se resistor de 2,2 / 2 W

ii. condição para paralelismo de resistências

PadotVi Vd( )

2

R adot

Vi Vd( )2

R adot0.222 [W]

iii. número de resistências em paralelo:

n ceilIdM

Padot R adot

R adot

n 8 [número de resistências em paralelo]

adotam-se 8 resistores de 18 / 0.25 W em paralelo

nota: caso o resistor de 2,2 / 2 W utilizado para o experimento não

esteja disponível, utiliza-se como alternativa 8 resistores de 18 /0.25 Wem paralelo.




PRÁTICA Nº 02 – RETIFICADORES MONOFÁSICOS DE MEIA ONDA E ONDACOMPLETA SEM E COM FILTRO CAPACITIVO

1. OBJETIVOS

O objetivo principal desta prática é a analise do funcionamento dos circuitos retificadores

monofásicos de meia onda e onda completa mediante simulação e experimentação.2. INFORMAÇÃO TEÓRICA

Os circuitos retificadores integram a maioria dos dispositivos eletrônicos que necessitam deuma fonte de tensão CC condicionada a partir de uma fonte AC senoidal disponível. Os diferentescircuitos (topologias) retificadores podem ser obtidos a partir do acréscimo de componentes, ourearranjo na posição dos mesmos. Os circuitos retificadores a serem montados durante a prática sãoapresentados na Figura 2. Nota-se que o simples acréscimo de um filtro capacitivo é capaz dereduzir a ondulação na forma de onda da tensão no capacitor, permitindo assim o aumento do valormédio da tensão de saída, conforme proposto na Figura 1.

Durante a determinação dos valores de resistência de carga e da capacitância de filtro, énecessário analisar o resultado teórico e o experimental. Para os retificadores sem filtro capacitivo,os elementos do circuito são determinados utilizando o valor eficaz da tensão na saída doretificador para uma queda de tensão no diodo considerada. São apresentados nas Eqs. (1), (2) e (3)o valor eficaz de tensão na saída para os retificadores: meia onda, onda completa com derivação eonda completa em ponte, respectivamente; e o valor de resistência de carga é tratado na Eq. (4).

)(.5,0 Vd VsVo PK EF (1)

)(.2

1Vd VsVo PK EF (2)

).2(.2

1Vd VsVo PK EF (3)

Po

Vo Ro EF

2

(4)

Para o circuito retificador com filtro capacitivo, os elementos de circuito são determinadosconsiderando o valor da tensão média aproximadamente igual ao valor da tensão eficaz na saída doretificador, para uma queda de tensão no diodo e uma ondulação de tensão no capacitor

considerada em projeto. É mostrado nas Eqs. (5) e (6) o valor médio da tensão de saída para osretificadores, na Eqs. (7) e (8) o valor da capacitância para filtro capacitivo, e na Eq. (9) o cálculoda resistência de carga, onde para cada par de equações apresentadas diz respeito aos retificadores:meia onda e onda completa (expressão é a mesma para os retificadores em ponte e em derivação).

).5,0( VC Vd VsVoVo PK MED EF (5)

).5,0.2( VC Vd VsVoVo PK MED EF (6)

VC fr

IoC

.

(7)




VC fr

IoC

..2 (8)

Po

Vo Ro MED

2

(9)

-

0

DVC

t ( )

T

p 2p 3p 4p

Vsmax

Vsmin

Vsmax

w.t

Vo med

Tc

Figura 1. Forma de onda da tensão na carga em um retificador de meia onda com filtro

capacitivo.


Os esquemáticos dos circuitos experimentais são apresentados na Figura 2.

Vrms

Lp Ls

D1

Ro

Id

Io

(a)

Vs

+

-

Vp

+

-

A+

0...0.2 A

Vo

+

-

V0...20 V

Rs

1 2

VrmsLp Ls

D1Id

(b)

C+

- Ro

Io

A+

0...0.2 A

Vo

+

-

V0...20 V

1 2

Rs

VrmsLp Ls

D1

Ro

Id

Io

Vo

+

-

(c)

Ls

1 2

Rs

D2

VrmsLp Ls

D1

Ro

Id

Io

Vo

+

-

(d)

Ls

D2

C+

-

1

Rs

2




VrmsLp

D1

Ro

Io

Vo

+

-

(e)

Id

D3

D2

D4

Ls

Ls

1

Rs

2

D1

Ro

Io

Vo

+

-

(f)

D3

D2

D4

C+

-VrmsLp

Id

Ls

Ls

1

Rs

2

Figura 2. Esquemáticos a serem montados durante o experimento: (a) retificador de meia onda,

(b) retificador de meia onda com filtro capacitivo, (c) retificador de onda completa com derivação,

(d) retificador de onda completa com derivação e filtro capacitivo, (e) retificador de onda

completa em ponte e (f) retificador de onda completa em ponte com filtro capacitivo.


A seguir são apresentadas as seguintes especificações: Vrms = 220 [V] [Tensão eficaz no primário do transformador]; e

Po = 0,5 [W] [Potência na carga].


Vs = 12 [V] [Tensão eficaz no secundário do transformador];

fr = 60 [Hz] [Freqüência da rede];

Vd = 0,70 [V] [Queda de tensão no diodo];

∆VC = 15%.VsMAX [V] [Ondulação de tensão no capacitor filtro]; e

D1,D2,D3,D4 1N4007 [Diodo retificador].Os instrumentos e os equipamentos utilizados nesta prática são listados a seguir:

Voltímetro (1);

Amperímetro (1);

Transformador com derivação central (+12V/+12V) (1); e

Osciloscópio (1).


Conforme as informações apresentadas nos itens (2), (3) e (4), antes de ser realizada a montagem

experimental é necessário:

a) Determinar e especificar os componentes utilizados (resistores e capacitores);

b) Conforme a Tabela 1, determinar teoricamente o valor das grandezas exigidas; e

c) Simular o circuito no ORCAD referente ao procedimento, analisar resultados esperados e preencher a Tabela 1.

Nota1: durante a simulação utilize a função K_linear do ORCAD para o acoplamento magnéticodas indutâncias do lado primário Lp e do secundário Ls para o transformador (no primário assumiruma indutância de 1H e determinar a indutância no secundário, fazendo uso da Eq.(10)).

LpVs LsVp ef ef .. 22 (10)




6. PROCEDIMENTO

a) A partir dos esquemáticos apresentados na Figura 2 e dos resultados obtidos durante a análisecomputacional, monte cada um dos circuitos retificadores. Mantenha a alimentação AC desligada.

b) Ligue a alimentação AC; para cada circuito retificador montado, utilizando um multímetro,

meça as grandezas experimentais exigidas na Tabela 1 e preencha os campos correspondentes.c) Para cada circuito retificador, com a ponteira de tensão do osciloscópio e sua referênciacorretamente posicionada, verifique o tempo de condução do diodo (Tc) para o circuito retificadorcorrespondente.

Nota2: As grandezas Id1EF, Id1MED, ∆VC, Tc e VdPIV devem ser medidas utilizando o osciloscópio.

Nota3: A Tabela 1 deve ser replicada para cada circuito retificador analisado.

Nota4: Devido à impossibilidade da medição de corrente eficaz em um dado diodo de forma diretacom o multímetro disponível, acrescenta-se um resistor ( Rs) de baixa resistência (1Ω/0,25W) etolerância reduzida (< 5%) em série com o diodo escolhido (conforme visto na Figura 2), em

seguida fazendo uso do osciloscópio é verificada a forma de onda da tensão no resistor que é proporcional a corrente que circula no diodo (medição indireta).

Tabela 1. Resultado teórico, simulado e experimental.

CircuitoRetificador

GrandezaMétodo de análise utilizado

Teórico Simulado Experimental

_

Id1MED [A]

Id1EF [A]

IoMED [A]

VoMED [V]

∆VC [V]

Tc [ms]

VdPIV [V]

7. QUESTIONÁRIO

a) Comente a respeito do tempo de condução (Tc) verificado em cada circuito retificador e faça umcomparativo dos resultados obtidos entre as demais grandezas utilizando a Tabela 1.

b) Comente a respeito dos resultados obtidos em cada um dos circuitos retificadores montadosexperimentalmente e compare com o seu equivalente simulado atentando para as grandezas presentes na Tabela 1.

c) Analisando o circuito da Figura 2(f), suponha que o diodo D3 se danifique quando operando emregime permanente. Na 1ª situação, o componente comporta-se como um elemento de impedânciainfinita; e na 2ª situação, o componente comporta-se como um elemento de baixa impedância.Análise o comportamento do circuito para ambas as situações impostas. Apresente as formas de

onda de tensão na carga.




d) Comente o motivo pelo qual foi adotada a medição indireta na determinação da corrente eficazno diodo e não a medição direta utilizando o amperímetro AC convencional.

e) Para as Figuras 2(e) e 2(f), explique o motivo da discrepância entre os valores medidosexperimentalmente: Id1MED e IoMED; a partir da forma de medição utilizada.

f) Pesquise a respeito da Ponte de Graetz.g) Pesquise a respeito dos diodos utilizados em circuitos retificadores: Standard Recovery, Fast

Recovery e Ultra Fast Recovery.

8. APÊNDICE

8.1 Planilha 1: Dimensionamento dos componentes

1. Especificações:

Po 0.5 [W][potência na carga]

2. Considerações:

Vs 12 [V]

fr 60 [Hz] [frequência da rede]

[V] [queda de tensão no diodo]Vd 0.

VC% 15% [taxa de ondulação]

3. Projeto retificador de meia onda sem filt ro:

Vomed_msc 0.318 2 Vs Vd Vomed_msc 5.174 [V] [tensão média na carga]

Voef_msc 0.5 2 Vs Vd Voef_msc 8.135 [V] [tensão eficaz na carga]

Romsc

Voef_msc2

Po Romsc 132.366 [] [resistência de carga]

VdPIV_msc 2 Vs VdPIV_msc 16.971 [V] [tensão de pico reversa]

componentes adotados: 2 x 270 / 0.25W [paralelo]

4. Projeto retificador de meia onda com filtro:

VCmcc VC% 2 Vs Vd VCmcc 2.441 [V]

Vomed_mcc 2 Vs Vd 0.5 VCmcc Vomed_mcc 15.05 [V] [tensão média na carga]

Voef_mcc Vomed_mcc Voef_mcc 15.05 [V] [tensão eficaz na carga]

Romcc

Vomed_mcc2

Po Romcc 453.021 [] [resistência de carga]

ComccPo

Vomed_mcc fr VCmcc10

6

Comcc 226.872 [uF] [capacitância de filtro]

VdPIV.mcc 2 2 Vs VdPIV.mcc 33.941 [V] [tensão de pico reversa]

[tensão eficaz no secundário transformador]

2 x 910 / 0.25W [paralelo] 220 F / 25V [capacitor]componentes adotados:




PRÁTICA Nº 03 – FONTE DE TENSÃO REGULADA A DIODO ZENER

1. OBJETIVOS

O objetivo principal desta prática é projeto e analise do funcionamento de uma fonte detensão regulada a diodo zener mediante simulação e experimentação.

2. INFORMAÇÃO TEÓRICAPequenas fontes de alimentação lineares são utilizadas em aplicações que necessitam de

uma potência absorvida reduzida, sendo o diodo zener o componente utilizado em tais fontes. A partir de um circuito retificador com filtro capacitivo alimentando uma carga linear, uma tensão nocapacitor com ondulação considerada em projeto é obtida. Para que a tensão na saída (na carga)seja exatamente constante projeta-se um circuito resistivo em série com o diodo zener, sendo assima variação da potência drenada pela carga na saída depende das características de potência do diodozener e do valor da resistência série, de modo que não haja perda na regulação da tensão na saída.São ilustradas na Figura 1 as etapas de um circuito pertencente a uma fonte de tensão regulada adiodo zener, onde se notam as etapas: abaixamento da tensão, retificação, filtragem e regulação da

tensão na carga.

LsLpVrms DR C DZ

+

-

+

--

+

tensão CC

regulada

transformador retificação filtragem regulaçãoabaixador

Figura 1. Etapas de uma fonte de alimentação CC.

A resistência em série com o diodo zener ( Rs) deve ser projetada de modo a manter atensão regulada nos terminais da carga, mesmo que a impedância de saída seja variável, e umaondulação de tensão nos terminais do capacitor seja permitida. São apresentados nas Eqs. (1) e(2): o valor mínimo e o valor máximo da corrente no diodo Zener, de modo a garantir que ocomponente esteja trabalhando na região de operação. A Eq. (3) é útil na determinação daregulação de tensão na carga.

MIN MAX

MAX MIN

Io Iz

VzVi Rs

(1)

MIN

MIN

MIN MIN

Iz Rs

VzVi

Vz Ro

(2)

100*(%)CARGAPLENA

CARGAPLENAVAZIO

Vo

VoVo Rv

(3)





O esquemático do circuito experimental é apresentado na Figura 2.

+

-

Io

Vrms Lp Ls

D1 Rs

C Dz Ro

+

-

Vs

+

-

Iz

A+

0...0.2 A

Vo

+

-

V0...20 V

RL

10k

Figura 2. Esquemático a ser montado durante o experimento.


A seguir são apresentadas as seguintes especificações: Vrms = 220 [V] [Tensão eficaz aplicada ao primário do transformador];

Vo = 5,1 [V] [Tensão de saída regulada]; e

Po = 500 [mW] [Potência na carga].


fr = 60 [Hz] [Freqüência da rede];

Vs = 12 [V] [Tensão eficaz no secundário];

Vd = 0,70 [V] [Queda de tensão no diodo];

∆VC = 15%.VsMAX [V] [Ondulação no capacitor filtro];

IzMIN = 10% Iz; [A] [Corrente mínima no zener];

IzMAX = 60% Iz; [A] [Corrente máxima no zener];

Dz 1N4733A; [Diodo zener selecionado 5,1V/1W]; e

D1 1N4007 [Diodo selecionado].


Voltímetro (1);

Amperímetro (1);

Transformador com ponto central (+12V/+12V) (1); e

Osciloscópio (1).



a) Determinar e especificar os componentes comerciais utilizados (resistores e capacitores);

b) Conforme a Tabela 1, determinar teoricamente o valor das grandezas exigidas; e

c) Simular o circuito no ORCAD referente ao procedimento, analisar resultados esperados e

preencher a Tabela 2.




6. PROCEDIMENTO

a) A partir do esquemático apresentado na Figura 2 e dos resultados obtidos durante a análisecomputacional, monte o circuito experimental. Mantenha a alimentação AC desligada.

b) Ligue a alimentação AC, para o circuito experimental sem carga, preencha a Tabela 1 com as

especificações dos componentes determinadas e as grandezas medidas experimentalmente.c) Acrescentando uma carga Ro, inicialmente em um valor máximo de resistência, preencha aTabela 2 com os valores de tensão e corrente, conforme indicado nesta tabela.

Nota1: Para a carga Ro utilize um potenciômetro 2,2K Ω/1W.

Nota2: As grandezas ∆VC e VdPIV devem ser medidas utilizando o osciloscópio.

Tabela 1. Resultados experimentais I.

Especificação de Componentes

Componente Símbolo Valor do componente adotado

Capacitor C

Resistor Rs

Análise do circuito retificador de meia onda com filtro e diodo zener sem carga

CircuitoRetificador

GrandezaMétodo de análise utilizado

Simulado Experimental

-

IzMED [A]

VoMED [V]

∆VC [V]

VdPIV [V]

Tabela 2. Resultados experimentais II.

Io (mA) Vo (V) – Teórico Vo (V) – Simulado Vo (V) – Experimental

0

10,0

30,0

50,0

70,0

90,0

100,0

120,0

140,0

160,0




7. QUESTIONÁRIO

a) Determine a regulação de tensão na carga para os resultados experimentais e simulados naTabela 2 e esboce a curva de regulação de tensão na carga em função do aumento da carga.

b) A partir dos resultados da Tabela 2 traçar as curvas Vo=f(Io) (simulada e experimental) e

comente a respeito do comportamento gráfico obtido.c) Explique o comportamento do diodo zener na região de ruptura inversa.

d) Analisando o circuito da Figura 2, suponha que o capacitor C seja retirado do circuito em umdado instante após o circuito ter atingido regime permanente. Análise e explique o comportamentodo circuito para esta situação imposta fazendo uso de simulação. Apresente as formas de onda detensão na carga.

e) Pesquise a respeito do regulador shunt programável TL431.

f) Comente a respeito do comportamento das curvas apresentadas na Figura 3.

8. APÊNDICE

Time

300ms 400ms 500ms250msI(Ro)

0A

100mA

200mAV(Ro)

0V

2.5V

5.0V

V(Rs)

7.5V

10.0V

12.5V

V(C)

13.75V

15.00V

16.25V

Figura 3. Principais formas de onda.




PRÁTICA Nº 04 – CURVAS CARACTERÍSTICAS DO TRANSISTOR TBJ

1. OBJETIVOS

O objetivo principal desta prática é levantar e traçar as curvas características de umtransistor de TBJ na configuração emissor-comum mediante simulação e experimentação.

2. INFORMAÇÃO TEÓRICAEstando o Transistor Bipolar de Junção (TBJ) NPN polarizado na configuração emissor

comum, conforme ilustrado na Figura 1; um par de curvas características é necessário paradescrever o comportamento do componente nesta configuração: uma curva para o circuito deentrada ou base-emissor e a outra curva para o circuito de saída ou coletor-emissor (estas curvassão amplamente encontradas nas folhas de especificação do componente). As curvas característicassão apresentadas na Figura 2.

N

P

N

B

E

C

VBE

VCE

IC

Ib

IE

Ic

Ie

Ib

Figura 1. Notação e símbolo transistor NPN.

(a) (b)

Figura 2. Curvas características: (a) Circuito de saída e (b) circuito de entrada.

Para um ponto de operação adotado, obtido a partir da interseção entre a curva de carga euma das diferentes curvas características do circuito de saída e interno a região de operação segura, projeta-se o circuito com TBJ para diversas aplicações: corte-saturação e amplificação de sinais; éinteressante que tal ponto escolhido esteja interno a curva que limita a região de operação segura do

TBJ real, tendo em vista a limitação das características externas a que o componente estejasubmetido (esforços).






Rc

Rb

Vbb

0

Q1

100k

A+-

A+ -

+

-

Ibb +

-

Icc

V Vcc

0...0.2 A

0...20 V

0...2 mA

100

Figura 3. Esquemático a ser montado durante o experimento.


A seguir são apresentadas as seguintes especificações:

Vcc = 0 a 15 [V] [Tensão contínua aplicada ao circuito de saída];


Ibb = 20 a 80 [uA] [Corrente de base contínua aplicada a o circuito de entrada]; e

Q1 BC546 [Transistor NPN utilizado].

Os instrumentos e os equipamentos utilizados nesta prática são listados a seguir: Voltímetro (1);

Amperímetro (2); e




a) Determinar e especificar os resistores comerciais utilizados;

b) Simular o circuito no ORCAD referente ao procedimento, analisar resultados esperados, traçaralgumas formas de onda pertinentes e preencher a Tabela 1.

6. PROCEDIMENTO

a) A partir do esquemático apresentado na Figura 3 e dos resultados obtidos durante a análisecomputacional, monte o circuito experimental proposto. Mantenha as fontes Vcc e Vbb desligadas.

b) Ligue a fonte de tensão Vbb e conecte-a ao circuito de entrada de forma a polarizar a junção base-emissor do TBJ e regule a tensão desta fonte de modo a ajustar o valor de corrente Ibb medida por um amperímetro ao exigido; com outra fonte de tensão Vcc variável, ligue e conecte-aao circuito de saída e regule a tensão desta fonte de modo a ajustar o valor da tensão Vce medida

por um voltímetro ao exigido e com um segundo amperímetro meça a corrente no coletor Iccobtida. Este procedimento deve ser repetido e os campos da Tabela 1 preenchidos.




c) Determinar o ganho do transistor experimentalmente.

Tabela 1. Resultados simulados e experimentais.

Corrente no coletor medida Ic (mA)

Ibb (uA)

20 40 60 80

Vce (V)

0,5

1

3

5

10

15

7. QUESTIONÁRIO

a) Traçar a curva de saída Ic = f(Vce) de um TBJ: experimental e simulada.

Nota1: A Figura 4 no Apêndice pode ser utilizada como exemplo ilustrativo.

b) Determine o ganho de corrente (β) para as curvas traçadas em (a) item (7).

c) Comente detalhadamente a respeito das curvas traçadas em (a) item (7) explorando os seguintes

tópicos: funcionamento na configuração emissor-comum, curvas de característica de entrada esaída, ganho de corrente e limites de operação.

d) Consultando a folha de dados do TBJ adotado durante a prática, comente a respeito das principais características de operação, bem como as limitações de operação.

e) Pesquise a respeito: transistores de carboneto de silício e suas aplicações.

8. APÊNDICE

Figura 4. Curva característica de saída Ic = f(Vce) simulada.

Vce(V)

Ic(V)

Ib (20uA)

Ib (40uA)

Ib (60uA)

Ib (80uA)

0V 5V 10V 15V0A

5mA

10mA

15mA

20mA Ib (100uA)




PRÁTICA Nº 05 – TBJ OPERANDO COMO CHAVE

1. OBJETIVOS

O objetivo principal desta prática é projetar e analisar o funcionamento de um TBJ comochave mediante simulação e experimentação.

2. INFORMAÇÃO TEÓRICAFazendo uso da curva característica do circuito de saída ilustrada na Figura 1, pode-se

projetar o circuito de tal forma que o TBJ tipo NPN comporte-se como uma chave, onde se notamas regiões de operação do componente quando em corte e quando em saturado. Em regime desaturação forte, admite-se um ganho de corrente de projeto reduzido de tal forma que um pequenovalor de corrente aplicado a base sature instantaneamente o componente.

Corte

Saturação

Figura 1. Curva característica de saída.

Para um dado ponto de operação adotado, obtido a partir da interseção entre a curva decarga e a curva característica do circuito de saída, e interno a região de operação segura, projeta-seo circuito com TBJ. A Eq. (1) permite determinar o valor da resistência de base a partir de umacorrente de base considerada, da mesma forma a Eq. (2) faz-se uso da curva característica de saída para determinar o valor da resistência Rc.

Ib

VbeVbb Rb

(1)

Ib

VceVcc

RcSATU

.

(2)






Vcc

Rc

Rb

Vbb

0

Q1Ib-

Ic

+

+

-




Vcc = 12 [V] [Tensão contínua aplicada ao circuito de saída]; e

Vbb = 2,2 [V] [Tensão contínua aplicada ao circuito de entrada].


Hfe = β = 30 [Ganho de corrente do transistor];

Ib = 100 [uA] [Corrente de base adotada]; VceSAT = 0,3 [V] [Tensão de saturação do transistor];

fc = 10 [KHz] [Freqüência do sinal de entrada-onda quadrada]; e

Q1 BC546 [Transistor utilizado].


Osciloscópio (1);

Multímetro (1); e




a) Determinar e especificar os resistores comerciais utilizados; e

b) Simular o circuito no ORCAD referente ao procedimento, analisar resultados esperados, traçaralgumas formas de onda pertinentes e preencher o Quadro 1.

6. PROCEDIMENTO

a) A partir do esquemático apresentado na Figura 2 e dos resultados obtidos durante a análise

computacional monte o circuito experimental proposto. Mantenha as fontes Vbb e Vcc desligadas.




b) Ligue a fonte Vbb, ajuste corretamente a sua tensão e aplique este sinal ao circuito de entrada deforma a polarizar a junção base-emissor do TBJ, mantendo assim uma corrente de baseconsiderada; com outra fonte de tensão Vcc, ajuste a tensão desta para o valor considerado, apliqueao circuito de saída e observe com o osciloscópio as formas de onda de tensão em Rc e nosterminais Coletor-Emissor. Em seguida, esboce as formas de onda experimental para as grandezas

Vbb, Vce e VRc no Quadro 1.Quadro 1. Formas de onda simulada e teórica.

0

0

0

Vbb(V)

Vce(V)

VRc(V)

t( )

t( )

t( )

7. QUESTIONÁRIO

a) Traçar as formas de onda de tensão experimental e simulada para o TBJ: Vbb, Vce e VRC.

b) Comente detalhadamente a respeito das curvas traçadas em (a) tomando como referência ocomportamento do circuito e a curva característica do circuito de saída.

c) Determine as perdas de condução do TBJ usando a curva característica Ic = f(Vce).

d) Pesquisar a respeito dos tipos de encapsulamento.

e) Pesquisar a respeito das principais especificações do TBJ encontradas na folha de dados dosfabricantes de modo que o componente trabalhe como chave.

f) Pesquise aplicações que fazem uso do TBJ funcionando como chave.

8. APÊNDICE




PRÁTICA Nº 06 – TBJ OPERANDO COMO AMPLIFICADOR DE SINAIS

1. OBJETIVOS

O objetivo principal desta prática é o projeto e a analise do funcionamento de um TBJ tipo N como amplificador de sinais mediante simulação e experimentação.

2. INFORMAÇÃO TEÓRICAFazendo uso da configuração de polarização por divisor de tensão, o TBJ é capaz de

amplificar pequenos sinais. Durante a etapa de projeto, uma seqüência de passos deve ser seguidade forma a facilitar a análise e a compreensão do circuito. Primeiramente, faz-se uso da análise CCcomo forma de dimensionar os valores dos componentes do circuito para um ponto de operaçãocorretamente escolhido; em seguida, fazendo uso da análise AC (análise de pequenos sinais)determinam-se os diversos parâmetros do circuito (ganho de tensão, ganho de corrente, impedânciade entrada e impedância de saída). São ilustrados nas Figuras 1(a), (b) e (c) o circuito amplificadoradotado, o circuito necessário à análise CC e o circuito adotado à análise AC (fazendo uso domodelo de pequenos sinais do TBJ), respectivamente.

Q1

Rc

Re

R1

R2R4

R3 C1

Ce

Cc

RLVi

Vcc

0

0(a)

Q1

Rc

Re

R1

R2

Vcc

0

0

+

-

(b)

RcR2R1R4

R3

RLVi

0

r .ir p

B C

E

ib io

(c)

ob b

ii

Figura 1. (a) Circuito amplificador, (b) circuito utilizado para análise CC e (c) circuito utilizado

para análise AC.

Nota1: Nota-se que ao circuito da Figura 1(a) são acrescentados os resistores 3 e 4, fato que se justifica pela necessidade de medição da corrente de entrada no circuito durante a análise

experimental, como forma de serem comparados os parâmetros de pequenos sinais obtidos poranálise teórica, simulação e experimento.





O esquemático do circuito experimental é tratado na Figura 2.

Q1

Rc

Re

R1

R2R4

1k

R3

1k

C1

10u

Ce

22u

Cc

10u

RL10k

Vi

Vcc

0

0

1

2

+

-

+

-+

++-

-

-

b

c

e




Vcc = 20 [V] [Tensão contínua aplicada ao circuito de saída].

Para o projeto devem ser tratadas as seguintes considerações: Vc = 8 a 10 [V] [Intervalo de tensão média adotado em projeto];

Vth = 5 [V] [Tensão Thévenin];

Ib = 100 [uA] [Corrente de base adotada];

Pd = 0,15 [W] [Potência dissipada];

Vce = 8 [V] [Tensão de operação do transistor];

Vi = 100 [mV] [Tensão de pico a pico];

fc = 10 [KHz] [Freqüência do sinal de entrada]; e

Q1 BC546 [Transistor NPN utilizado].


Osciloscópio (1);

Gerador de função (1);

Multímetro (1); e


Nota2: Adotou-se o ponto de operação utilizando a curva característica de saída do componente,considerando a curva para um Ib (100 uA), Vce (8V) e Pd (0,15W).

Nota3: é aconselhável utilizar resistores com tolerância reduzida para os elementos R3, R4 e RL.






a) Determinar e especificar os resistores comerciais utilizados necessários a polarização CC; e


6. PROCEDIMENTO

a) A partir do esquemático apresentado na Figura 2 e dos resultados obtidos durante a análisecomputacional monte o circuito experimental proposto. Mantenha a fonte Vcc desligada.

b) Com o sinal de tensão Vi corretamente calibrado, conecte-o ao circuito de entrada de tal formaque o sinal AC aplicado ao circuito (ponto 1) seja amplificado na saída (ponto 2). Ligue e ajuste afonte de tensão Vcc ao valor indicado. Fazendo uso do osciloscópio: meça a tensão (pico a pico) no ponto 1, meça a tensão (pico a pico) no ponto 2, e finalmente meça a tensão (pico a pico) sobre o

resistor R3. Preencha a Tabela 1.Tabela 1. Resultados: teórico, simulado e experimental.

Valores de tensão (pico a pico teórico, simulado e experimental) [V]


Ponto 1

Ponto 2

Resistor R3Parâmetros do modelo de pequenos sinais


Av (ganho de tensão)

Ai (ganho de corrente)

Zi (impedância de entrada)

Zo (impedância de saída)

7. QUESTIONÁRIO

a) Apresente as formas de onda nos pontos 1 e 2 (Figura 2), e comente os resultados.

Nota4: a Figura 3 no Apêndice pode ser utilizada como exemplo ilustrativo.

b) Explique o procedimento experimental para se obter os parâmetros do modelo AC.

c) Apresente o equacionamento em forma literal referente aos parâmetros do modelo de pequenossinais para o circuito proposto na Figura 2. Faça uso deste equacionamento e obtenha os parâmetrosdo modelo de pequenos sinais teórico e simulado.

d) Comente e compare detalhadamente os resultados obtidos por meio da análise teórica, simulaçãoe experimento para o modelo de pequenos sinais, conforme a Tabela 1.




e) Fazendo referência a uma aplicação do TBJ como amplificador de sinais, apresente um circuitoamplificador de áudio utilizando TBJ’s e descreva o seu funcionamento.

8. APÊNDICE

Ti me

9. 0ms 9. 1ms 9. 2ms 9. 3ms 9. 4ms 9. 5ms

V( Col et or )

0V

5V

10V

V( ponto2)

- 4. 0V

0V

4. 0V

V( ponto1)

- 20mV

0V

20mV

Figura 3 - Formas de onda obtidas em simulação.




PRÁTICA Nº 07 – CURVAS CARACTERÍSTICAS DO TRANSISTOR FET

1. OBJETIVOS

O objetivo principal desta prática é levantar e traçar as curvas características de umtransistor FET (MOSFET tipo intensificação) mediante simulação e experimentação.

2. INFORMAÇÃO TEÓRICAO transistor MOSFET tipo N polarizado corretamente e o símbolo gráfico são ilustrados na

Figura 1. Um par de curvas características é necessário para descrever o comportamento docomponente: uma curva de dreno e a uma curva de transferência (estas curvas são amplamenteencontradas nas folhas de especificação do componente), as quais são apresentadas na Figura 2.

D

G

ID

nn

n

P

VGS

VDS

S

SS+

-

+

-

IG=0

IS

D

S

G

Figura 1 - Polarização MOSFET tipo N e símbolo gráfico.

Figura 2 - Curvas características: (a) curva de dreno e (b) de transferência.

Para um ponto de operação adotado, obtido a partir da interseção entre a curva de carga ecurva de transferência, o circuito com FET é projetado para diversas aplicações: corte-saturação eamplificação de sinais; é interessante que tal ponto escolhido esteja interno a curva que limita a

região de operação do FET real, tendo em vista a limitação das características externas as quais ocomponente esteja submetido (esforços).






Rd

Vgs

0

Q1

A+-

Vds+

-

+

-

Id

Vcc

+

Rg

-

V

-

0...0.2 A

0...20 V1Meg




Vcc = 0 a 12 [V] [Tensão contínua aplicada ao circuito].


Vgs = 1 a 2,1 [V] [Tensão gate-source aplicada];

Pd = 0,7 [W] [Potência dissipada no componente]; e

Q1 2N7000 [MOSFET VMOS canal N utilizado 0,35A/1W].

Os instrumentos utilizados nesta prática são listados a seguir:

Voltímetro (1);

Amperímetro (1); e



Conforme as informações apresentadas nos itens (2), (3) e (4), antes de ser realizada a montagem

experimental é necessário:

a) Determinar e especificar os resistores comerciais utilizados;


Nota1: Utilize as curvas apresentadas na Figura 4 de modo que as especificações e consideraçõesde projeto sejam atendidas.

6. PROCEDIMENTO

a) A partir do esquemático apresentado na Figura 3 e dos resultados obtidos durante a análise

computacional, monte o circuito experimental proposto. Mantenha as fontes Vgs e Vcc desligadas.Nota2: Verifique a disposição dos terminais do MOSFET.




b) Ligue a fonte Vgs e ajuste o sinal de tensão, aplique-o aos terminais G e S do MOSFET demodo a polarizá-lo e regule a amplitude do sinal de modo a ajustar o valor da tensão ao exigido;ligue a fonte Vcc, conecte-a ao circuito e regule a tensão desta fonte de modo a ajustar o valor datensão Vds medida por um voltímetro ao exigido e com um amperímetro meça a corrente no drenoId obtida. Este procedimento deve ser repetido e os campos da Tabela 1 preenchidos.

Tabela 1. Resultados simulados e experimentais.

Corrente no coletor medida Id (mA)

Vds (V)

0 0,1 0,2 0,3 0,5 1 1,5 2 3 4

Vgs(V)

1,5

1,7

1,8

1,9

22

2,1

7. QUESTIONÁRIO

a) Traçar as curvas Id = f(Vds) e Id = f(Vgs) do MOSFET: experimental e simulada.

Nota3

: A Figura 4 no Apêndice pode ser utilizada como exemplo ilustrativo. b) Comente detalhadamente a respeito das curvas traçadas em (a) do item (7) explorando osseguintes tópicos: polarização utilizada, curvas características e limites de operação.

c) Consultando a folha de dados do FET adotado durante a prática, comente a respeito das principais características de operação, bem como os limitantes de operação.

d) Pesquise os tipos de MOSFET: MOS de sinal, DMOS, VMOS, UMOS e MOSFET de Potência.

8. APÊNDICE




Vds(V)

0V 2V 4V 6V 8V 10V0A

0.5A

1.0A

1.3A

Id(A)

Vg = 1,8V

Vg = 2V

Vg = 2,2V

Vg = 2,4V

Vg = 3V

Figura 4 - Curva característica de saída Id = f(Vds) obtida em simulação.




PRÁTICA Nº 08 – FET OPERANDO COMO CHAVE

1. OBJETIVOS

O objetivo principal desta prática é o projeto e a analise de um drive de acionamento de umMOSFET de potência mediante simulação e experimentação.

2. INFORMAÇÃO TEÓRICAUma aplicação dos transistores MOSFET de potência é bastante comum em circuitos de

processamento de energia, onde os estados de corte e de saturação devem ser definidos. Circuitosauxiliares capazes de acionar tais chaves são necessários, de modo a permitir que circuitos de sinaiscontrolem circuitos de potência elevada.

Estando o MOSFET trabalhando como chave e aplicada uma tensão dreno-fonte maior ouigual à tensão de limiar (Vgsth), os fenômenos de armazenamento ou recombinação dos portadoresminoritários, que caracterizam os aspectos capacitivos eletrostáticos e de depleção, vão determinarseu comportamento em comutação, conforme a Figura 1. Portanto, as cargas a remover são das

capacitâncias intrínsecas, razão pela qual durante a comutação são exigidas correntes de portaelevada, quando são desejados tempos de comutação reduzidos mesmo em operação em baixafreqüência, de modo a minimizar a potência perdida na comutação. A capacitância de entrada édefinida como a soma entre as capacitâncias gate-dreno (Cgd) e gate-source (Cgs), e acapacitância de saída é a capacitância dreno-source (Cds).

M1

Cgd

Cds

Cgs

D

G

S

Figura 1 - Representação das capacitâncias intrínsecas.

A análise do circuito, apresentado na Figura 2, fundamenta-se nos estados bem definidosde corte e de saturação da chave de potência, cujo sinal de controle é gerado por um drive deacionamento. Na primeira etapa, um sinal nível alto (5V) é gerado pela fonte de tensão V1, otransistor Q2 entra em estado de saturação e passa a conduzir uma correte de coletor Ic2, o divisorde tensão formado pelas resistências R4 e R5 garante que o transistor Q3 entre em estado de

saturação e conduza uma corrente Ie3, uma parcela desta corrente faz o diodo D1 conduzir, Q1 entrar em estado de corte, um impulso elevado de corrente é exigido e uma tensão Vgs surge entreos terminais G e S. Na segunda etapa, um sinal de nível baixo (0V) é gerado pela fonte de tensãoV1, o transistor Q2 entra em estado de corte e não mais circulará a corrente Ic2, estando osterminais de base e emissor do transistor Q3 no mesmo potencial (15V), este estará em estado decorte, a carga armazenada no capacitor intrínseco Cgs contribui para o aparecimento de uma tensãocapaz de polarizar o transistor Q1, levando-o a saturação e drenando rapidamente a cargaarmazenada, proveniente da etapa anterior (quando saturado).






Vpulse

Q2

Q3

Q1

M1

D1

R1

120

R2

22

R3

R4

R6

R7

10k

R5

Vcc

Vcd

0

0

Ic2

Ie3

Id ID1

D2

680

+-

+

-VC2

VE1

Vgate

Vdreno




Vcc = 15 [V] [Tensão contínua aplicada ao circuito de potência]; e

Vcd = 15 [V] [Tensão contínua aplicada ao circuito de controle].


Hfe = β = 40 [Ganho de corrente dos transistores para saturação forte];

Id1 = 400 [mA] [Corrente de gatilho];

Vbe = 0,7 [V] [Tensão da junção base-emissor];

Vpulse = 2,7 [V] [Amplitude da tensão – forma de onda quadrada – Don = 0,25];

fc = 10 [kHz] [Freqüência do sinal de entrada];

D1 UF4007 [Diodo Ultra Fast Recovery];

D2 1N5246 [Diodo zener 16V – 0,5W];

M1 IRF 540 [Mosfet de Potência];

Q2 BC546 [Transistor TBJ NPN utilizado]; e

Q1, Q3 BC327 [Transistor TBJ PNP utilizado].

Os instrumentos e equipamentos utilizados nesta prática são listados a seguir:

Osciloscópio (1);

Multímetro (1);

Gerador de função (1); e Fonte de tensão CC (1).






a) Determinar e especificar os resistores comerciais utilizados; e

b) Simular o circuito no ORCAD referente ao procedimento, analisar resultados esperados eesboçar algumas formas de onda pertinentes (VC2, VE1, Vgate e Vdreno) no Quadro 1.

6. PROCEDIMENTO

a) A partir do esquemático apresentado na Figura 2 e análise dos resultados obtidos no pré-laboratório monte o circuito experimental proposto. Mantenha as fontes Vcd e Vcc desligadas.

b) Com o sinal de tensão Vpulse corretamente calibrado, aplique-o ao circuito de modo a polarizara junção base-emissor de Q2, mantendo assim uma corrente de base pulsada; ligue a fonte detensão Vcd e a conecte ao circuito de controle, ajuste a tensão desta para o valor considerado everifique com o osciloscópio as formas de onda de tensão em VC2, VE1 e Vgate. Em seguida,

ligue a fonte de tensão Vcc e a conecte ao circuito de potência, ajuste a tensão desta para o valorconsiderado e verifique com o osciloscópio a forma de onda de tensão em Vdreno. Esboce asformas de onda experimentais requeridas no Quadro 1.

Quadro 1. Formas de onda simulada e teórica.

0

0

0

VC2(V)

VE1(V)

Vgate(V)

t( )

t( )

t( )

0

Vdreno(V)

t( )




7. QUESTIONÁRIO

a) Traçar as formas de onda de tensão experimental e simulada: VC2, VE1, Vgate e Vdreno.

b) Comente detalhadamente a respeito das curvas traçadas em (a) do item (7) tomando comoreferência o comportamento do circuito.

c) Determine a perda total do MOSFET em simulação.

Nota1: Procedimento para cálculo apresentado no apêndice.

d) Pesquisar a respeito dos tipos de encapsulamento para MOSFET.

e) Apresente um circuito detalhado para acionamento de MOSFET de potência (diferente doapresentado na prática) e apresente uma explicação detalhada do seu funcionamento.

f) Explique a função dos componentes D2 e R7 no circuito da Figura 3.

g) Pesquise aplicações práticas que utilizem o MOSFET funcionando como chave.

8. APÊNDICE

Cálculo das perdas para MOSFET de potência.

Time

3.14995ms 3.15000ms 3.15005ms 3.15010ms 3.15015ms 3.15020ms

0

50

100

-20

ID

VCC

DSiD ,v

VDSsat

t r 0 t

(a)

(b)

Figura 3 – Perdas: (a) entrando em condução e (b) detalhes.




(a)

(b)

Time

3.479600ms 3.480000ms 3.480400ms3.479285ms 3.480796ms

0

50

100

-20

ID VCC

DSiD ,v

VDSsat

t f 0 t

Figura 4 – Perdas: (a) entrando em bloqueio e (b) detalhes.

Perdas do MOSFET em condução

Perdas na entrada em condução

S

on D DS Deff DS cond MOS

S

on D

t

D

S

t

D

S

Deff

D D

T

t I R I RP

T

t I dt I

T dt t i

T I

I t i

onon

22

0

2

0

2 1)(

1

)(

S r DCC on MOS

t

S

on MOS

DS D

CC DS

r

D D

f t I V P

dt pT

P

t vt it p

V t v

t t

I t i

r

on MOS

MOS

2

1

1

)(

)(

0

)( )(




Perdas do MOSFET no bloqueio

Perda Total do MOSFET

S f DCC off MOS

t

S

off MOS

DS D

CC DS

f

D D D

f t I V P

dt pT

P

t vt it p

V t v

t t

I I t i

f

off MOS

MOS

2

1

1

)(

)(

0

)( )(

)()()()( off MOS on MOS cond MOS Total MOS PPPP




PRÁTICA Nº 09 – FET OPERANDO COMO AMPLIFICADOR DE SINAIS

1. OBJETIVOS

O objetivo principal desta prática é o projeto e a analise do funcionamento de um MOSFETcanal N como amplificador de sinais mediante simulação e experimentação.

2. INFORMAÇÃO TEÓRICAFazendo uso da configuração de polarização por divisor de tensão, o MOSFET é capaz de

amplificar pequenos sinais. Durante a etapa de projeto, uma seqüência de passos deve ser seguidade forma a facilitar a análise e a compreensão do circuito. Primeiramente, faz-se uso da análise CCcomo forma de dimensionar os valores dos componentes do circuito para um ponto de operaçãocorretamente escolhido; em seguida, fazendo uso da análise AC (análise de pequenos sinais)determinam-se os diversos parâmetros do circuito (ganho de tensão, ganho de corrente, impedânciade entrada e impedância de saída). São ilustrados nas Figuras 1(a), (b) e (c) o circuito amplificadoradotado, o circuito necessário à análise CC e o circuito adotado á análise AC (fazendo uso domodelo T com resistência rO), respectivamente.

Q1

Rd

Rs

R1

R2R4

R3 C1

Cs

Cd

RLVi

Vcc

0

0(a)

Rd

Rs

R1

R2

Vcc

0

0

+

-

(b)

Q1

RdR2R1R4

R3

RLVi

0

ro

G D

S

ig

(c)

1/gm

idii=0ii

Figura 1 - (a) Circuito amplificador, (b) circuito utilizado para análise CC e (c) circuito utilizado

para análise AC.

Nota: Nota-se que ao circuito da Figura 1(a) são acrescentados os resistores 3 e 4, fato que se justifica pela necessidade de medição da corrente de entrada no circuito durante a análise

experimental, como forma de serem comparados os parâmetros de pequenos sinais obtidos porexperimento, simulação e análise teórica.





O esquemático do circuito experimental é tratado na Figura 2.

Rd

Rs

R1

R2R4

1k

R3

1k

C1

10u

Cs

22u

Cd

10u

RL10k

Vi

Vcc

0

0

1

2

+

-

+

-+

++-

-

-

G

D

S

Q1




Vcc = 20 [V] [Tensão contínua aplicada ao circuito de saída].

Para o projeto devem ser tratadas as seguintes considerações: Vd = 8 a 10 [V] [Intervalo de tensão média adotado em projeto];

Vgs = 1,8 [V] [Tensão no gate-source];

Pd = 0,7 [W] [Potência dissipada no MOSFET];

Vds = 8 [V] [Tensão de saturação do MOSFET];

Vi = 100 [mV] [Tensão de pico a pico];

fc = 10 [KHz] [Freqüência do sinal de entrada]; e

Q1 2n7000 [MOSFET VMOS canal N utilizado].


Osciloscópio (1);

Gerador de função (1);

Multímetro (1); e


Nota1: Adotou-se o ponto de operação utilizando a curva característica de saída do componente,considerando a curva para um Vgs (1,8V) e Vds (8V).

Nota2: é aconselhável utilizar resistores com tolerância reduzida para os elementos R3, R4 e RL.






a) Determinar e especificar os resistores comerciais utilizados necessários a polarização CC; e


6. PROCEDIMENTO

a) A partir do esquemático apresentado na Figura 2 e dos resultados obtidos durante a análisecomputacional monte o circuito experimental proposto. Mantenha a fonte Vcc desligada.

b) Com o sinal de tensão Vi corretamente calibrado, conecte-o ao circuito de entrada de tal formaque o sinal AC aplicado ao circuito (ponto 1) seja amplificado na saída (ponto 2). Ligue a fonteVcc. Fazendo uso do osciloscópio: meça a tensão (pico a pico) no ponto 1, meça a tensão (pico a pico) no ponto 2, e finalmente meça a tensão (pico a pico) sobre o resistor R3. Preencha a Tabela 1.

Tabela 1. Resultados: teórico, simulado e experimental.

Valores de tensão (pico a pico teórico, simulado e experimental) [V]


Ponto 1

Ponto 2

Resistor R3

Parâmetros do modelo de pequenos sinais


Av (ganho de tensão)

Ai (ganho de corrente)

Zi (impedância de entrada)

Zo (impedância de saída)

7. QUESTIONÁRIO

a) Apresente as formas de onda experimentais nos pontos 1 e 2 (Figura 2), e comente os resultados.

Nota: a Figura 3 no Apêndice pode ser utilizada como exemplo ilustrativo.

b) Explique o procedimento experimental para se obter os parâmetros do modelo AC.

c) Apresente o equacionamento em forma literal referente aos parâmetros do modelo de pequenossinais para o circuito proposto na Figura 2. Faça uso deste equacionamento e obtenha os parâmetrosdo modelo de pequenos sinais teórico e simulado.

d) Comente e compare detalhadamente os resultados obtidos por meio da análise teórica, simulação

e experimento para o modelo de pequenos sinais, conforme a Tabela 1.




e) Fazendo referência a uma aplicação do MOSFET como amplificador de sinais, apresente umcircuito amplificador de áudio utilizando MOSFET e descreva o seu funcionamento.

8. APÊNDICE

Time

9.0ms 9.2ms 9.4ms 9.6ms 9.8ms 10.0msV(dreno)

4V

8V

12VV(ponto2)

-4.0V

0V

4.0VV(ponto1)

-40mV

0V

40mV

Figura 3 - Formas de onda obtidas em simulação.

apostila laboratório de dispositivos eletrônicos_ufpi

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