Sumário 1. RESUMO ........................................... ................................................................. ............................................ ............................................. ....................................... ................ 2 2. INTRODUÇÃO TEÓRICA .......................................... ................................................................. ............................................. .................................. ............ 2 3. OBJETIVOS.......................................................... ................................................................................ ............................................. ........................................... ....................4 4. MATERIAS MATERIAS E MÉTODOS UTILIZADOS............................................. .................................................................... ............................... ........ 5 4.1. Materiais Utilizados: .......................................... ................................................................. ............................................. ...................................... ................ 5 4.2. Métodos Utilizados .................................. ........................................................ ............................................. .............................................. ........................... .... 5 5. RESULT RESULTADOS E DISCURSSÕES ............................... ..................................................... ............................................. ................................... ............ 7 7. CONCLUSÃO.................................................... .......................................................................... ............................................. ............................................ .....................14 8. BIBLIOGRAFIA.............................................................. ..................................................................................... ............................................. ............................. .......14
1. RESUMO O experimento 7 – Curva Característica do Transistor Bipolar de Junção TBJ foi realizado na disciplina de Eletrônica Analógica I. Um TBJ é um dispositivo com três terminas, formado com dois tipos de materiais o do tipo P e o do tipo N. Possuem duas junções (junção NP e junção PN) e é formado por três regiões: a região de coletor, a região de base e a região de emissor. O transistor analisado e estudado nesse relatório é o TBJ NPN BC548. O relatório aborda todos os pontos relacionados a um transistor. No qual, a introdução explica de forma simples e intuitiva os conceitos, os tipos, as características, a análise gráfica, a análise de circuito, as aplicações e as fórmulas principais do dispositivo. A primeira parte do experimento tinha por objetivo ensinar a mexer nos equipamentos ajustáveis para aprender a trabalhar com um TBJ. A plotagem e o esboço das curvas característica foram feitas, para diferentes valores de corrente de base, após os ensaios no laboratório. E por último neste relatório foi preciso explicar de forma simplória a plotagem e a análise das curvas características e a determinação do β medido comparando-o com o β calculado .
2. INTRODUÇÃO TEÓRICA O transistor bipolar de junção – TBJ é um dispositivo com três regiões semicondutoras conectadas em três terminais: o emissor(E), a base(B) e o coletor(B).
Figura 1 – Simbologia do TBJ
A formação estrutural do transistor é semelhante a do diodo, já que ambos possuem dois tipos de materiais: material tipo P (com lacunas como portadores majoritários) e material tipo N (com elétrons como portadores majoritários). Já a formação física do transistor é bem distinta da do diodo. Enquanto os diodos possuem apenas uma junção PN os transistores possuem duas junções(junção PN ou junção NP), podendo ser do tipo NPN ou do tipo PNP. Ambos os tipos possuem três regiões: região de emissor, região de base e região de coletor. As figuras seguintes ilustram melhor a estrutura do transistor:
Figura 2 – TBJ NPN
Figura 3 – TBJ PNP
Quando analisamos a operação do transistor no modo ativo devemos verificar o fluxo da corrente nas três regiões. Para facilitar o entendimento observe a Figura 4 que mostra um TBJ NPN. Antes de tudo é preciso saber que a região de emissor é altamente dopada, a região de base é fina com baixa dopagem e a região de coletor é mais dopada que a região de base. Com isto em mente façamos a análise da malha onde encontra-se a fonte Vbe. Nesta malha circulará duas correntes, uma corrente do emissor elevada (já que a região de emissor é fortemente dopada) e uma corrente da base que será pequena (já que a região é pouco dopada). Os muitos elétrons da região de emissor irão para a região de base, como esta é fracamente dopada sobrará muitos elétrons que seguirão até a região de coletor, permitindo um fluxo BC que gerará uma corrente do coletor. Na análise da malha que encontra-se a tensão Vcb vemos uma corrente entrando no coletor(corrente do coletor) e outra entrando na base(corrente da base) ambas resultado da alta dopagem da região do emissor e da sobra de elétrons livres no dispositivo.
Figura 4 – Fluxo de corrente do TBJ NPN
Assim podemos formular que: Ie = Ib + Ic Ib = Ic/β α = β/( β+1)
Ie: corrente do emissor
Ib: corrente da base
β: ganho de corrente emissor comum
Ic: corrente do coletor
α: ganho de corrente base comum
A partir destas fórmulas e utilizando métodos de resoluções como análise por malha, análise por nó e leis de Kirchhoff é possível resover qualquer circuito relacionado a transistores e seus valores associados. As aplicações de um transistor são extensamente variadas já que estes dispositivos podem ser utilizados tanto para amplificares de tensão e potência como para projetos de circuitos lógicos digitais e de memória (utilizando-os como chaves).
3. OBJETIVOS Propiciar o entendimento do funcionamento e das propriedades do transistor bipolar de junção, além da realização do levantamento da curva característica.
4. MATERIAS E MÉTODOS UTILIZADOS 4.1. M ateriais Uti lizados:
01 resistor de 1 0kΩ;
01 resistor de 100 kΩ;
01 diodo 1N4148; 01 transistor BC548; 01 multímetro digital; 01 fonte de tensão C.C. ajustável; 01 gerador de funções; 01 osciloscópio; 01 protoboard; Cabos para conexão; Pontas de prova para os instrumentos de medição; Software Multisim.
4.2. M é todos Uti lizados
O procedimento experimental é divido em duas partes. 4.2.1 Curva I cxVce do TBJ
O primeiro passo do experimento foi medir na escala de teste de semicondutores o Vbe e o beta(hfe) do TBJ BC548, sendo Vbe = 0.606V e β = 308.
Figura 5 – TBJ BC548
Em seguida regulamos o gerador de funções como uma onda senoidal com 100Hz e 10Vp e a fonte de alimentação DC ajustável em 0.5V. Com tudo pronto montamos o circuito referente a Figura 6 conectando o multímetro e as pontas de provas do osciloscópio nos lugares adequados. Depois tivemos que regular o osciloscópio: conferindo as escalas (nas pontas de prova e no osciloscópio), modificando o acoplamento de ambos os canais para DC, invertendo o canal 2 e colocando o osciloscópio em modo XY. Estando o circuito e os aparelhos finalizados começamos os testes e as coletas de dados. Reajustando a fonte DC observando a corrente no multímetro (corrente da base) em 5µA, 10µA, 15µA, 25µA e 30µA salvamos e esboçamos as curvas características do TBJ.
Figura 6 – Circuito I 4.2.2 Determinação do β do Transistor
Depois de salvo e simulado as curvas características escolhemos um Vce localizado na região ativa do transistor e traçamos uma curva perpendicular ao eixo Vce para determinar o ganho de corrente emissor comum (β). Pela fómula: β = (Ic’’ – Ic’) / (Ib’’ – Ib’)
No final comparamos e analisamos resultados e gráficos.
5. RESULTADOS E DISCURSSÕES 5.1. Cu rva Vdx I d do di odo atr avé s do Osciloscópi o
Figura 7 – Curva Característica Ociloscópio(Ib = 5µA)
Figura 8 – Curva Característica Ociloscópio(Ib = 10µA)
Figura 9 – Curva Característica Ociloscópio(Ib = 15µA)
Figura 10 – Curva Característica Ociloscópio(Ib = 25µA)
Figura 11 – Curva Característica Ociloscópio(Ib = 30µA) OBS.: Primeiramente foi configurado no osciloscópio o eixo x como sendo em unidade de corrente[A]. Não ocorreu variações numéricas na escala gráfica e o equívoco foi concertado posteriormente.
Figura 12 – Circuito Multisim com Osciloscópio
Figura 13 – Curva Característica Genérica Multisim(Ib ~ 3.8µA) OBS.: O multisim, em nenhum dos três tipos de osciloscópio disponíveis no software, modificou (na escala verticalmente) a curva característica. Ou seja, não importava o valor configurado para a corrente de base no multímetro o gráfico da curva característica era sempre o mesmo. Assim a Figura 13 é mais um esboço de como deve ser o formato da curva característica.
Figura 14 – Circuito Multisim com Analisador
Figura 15 – Display do Analisador Multisim
Figura 16 – Curvas Característica Multisim OBS.: Na Figura 16 o gráfico possuem 6 curvas características pois o analisador do multisim não conseguiria omitir Ib = 20µA(curva não simulada no laboratório), assim a curva característica
amarela plotada representa este valor.
Figura 17 – Curva Característica Vce x Ic
Na figura 17 podemos observar um gráfico da curva característica do TBJ Vce x Ic. Onde observamos a região de saturação, a região ativa, a região de corte e região de ruptura. Quando o transistor funciona na região de saturação este pode ser utilizado como uma
chave fechada, o qual a junção emissor-base e a junção coletor-base operam de forma direta. O transistor funciona na região de corte quando a junção emissor-base e a junção coletor-base operam de forma reversa. O transistor nessa região é utilizado como uma chave aberta. A região ativa, a área útil (Figura 17, na curva do transistor funciona quando a junção emissor-base opera de forma direta e a junção coletor-base opera de forma reversa. Nessa região as aplicações do transistor são para amplificar sinais. É preciso observar que mesmo quando a junção emissor-base está operando de forma direta e a junção coletor-base está operando de forma reversa o transistor para de funcionar adequadamente quando ultrapassa a curva de potência máxima e passa para a região de ruptura. Na região de ruptura não existe regras e padrões de funcionamento do transistor. As figuras 7, 8, 9, 10 e 11 são curvas característica salvas na prática, onde variando Ib podemos obter curvas com inclinações distintas. Indicando que ao aumentar a corrente de coletor - Ib aumentamos a corrente de base – Ic. Lembrando que Vce que separa a região de saturação e a região ativa não se modifica. A Figura 13 e a Figura 16 mostra a curva característica plotada do transistor obtida pelo software Multisim utilizando um osciloscópio e um analisador. Na Figura 13 foi utilizado um osciloscópio para plotar a curva porém realizando as simulações observamos que a curva não se modifica, ou seja, não importava o valor configurado no circuito para a corrente de base no multímetro o gráfico da curva característica sempre será o mesmo. Assim o gráfico plotado na Figura 13 é apenas um esboço da curva característica. Na Figura 16 utilizamos um analisador na opção transistor para gerar curvas características no TBJ. O analisador foi programado para obter 6 curvas variando Ib de 5µA a 30µA e o Vce de 0V a 4 V, como demostrado na Figura 15. Esta simulação, da Figura 16, é útil para conseguir visualizar todo o conceito gráfico do TBJ, Figura 17, e observar semelhanças visuais entre a Figura 16, a Figura 17 e a Figura 18. 5.2. Determinação do β do Transistor
Sendo: β = (Ic’’ – Ic’) / (Ib’’ – Ib’)
Figura 18 – Curvas Característica Ociloscópio
OBS.: O gráfico de curvas característica do esboço foi refeito com a escala de 5V. Já que o anterior não satisfazia o cálculo do β. O Ganho de corrente do emissor comum do TBJ NPN BC548 medido: β = 308 Considerando Ic’ = 5µA; Ib’ = 4mV como referência para o cálculo, temos: β = (Ic’’ – Ic’) / (Ib’’ – Ib’) β = (35mA – 20mA) / (10µA – 5µA) Ib’ = 5µA; Ic’ = 4mA e Ib’’ = 10µA; Ic’’ = 7mA -> β ~ 300 β = (Ic’’ – Ic’) / (Ib’’ – Ib’) β = (50mA – 20mA) / (15µA – 5µA) Ib’ = 5µA; Ic’ = 4mA e Ib’’ = 15µA; Ic’’ = 10mA -> β ~ 300 β = (Ic’’ – Ic’) / (Ib’’ – Ib’) β = (79mA – 20mA) / (25µA – 5µA) Ib’ = 5µA; Ic’ = 4mA e Ib’’ = 25µA; Ic’’ = 15.8mA -> β ~ 295 β = (Ic’’ – Ic’) / (Ib’’ – Ib’)
β = (93.5mA – 20mA) / (30µA – 5µA) Ib’ = 5µA; Ic’ = 4mA e Ib’’ = 30µA; Ic’’ = 18.7mA -> β ~ 294
Comparando o β medido e os β calculados podemos considerar os valores satisfatórios o que indica que os erros e as aproximações da prática foram minimizados ao ponto que a aproximação dos dados estudado chegou a 4,55% de erro confron tando β medido e β calculado.
7. CONCLUSÃO O experimento realizado possibilitou a verificação, visualização e o entendimento da curva característica de um transistor BC548, além do cálculo de seu ganho β. O estudo aprofundado e a verificação de curvas características, propriedades e equações envolvidas no funcionamento de componentes eletrônicos são de suma importância na real compreensão de suas funcionalidades e aplicações em engenharia. Com o experimento pôde-se perceber que mesmo sendo formado por uma estrutura bem semelhante a de diodos de junção PN, o transistor apresenta um comportamento bem característico e diferente do de um diodo de junção comum, possuindo dentre várias propriedades importantes o ganho β, que relaciona a corrente de coletor e de base. De modo geral, os resultados obtidos foram satisfatórios. As curvas esboçadas e os valores calculados com base nas medições se assemelham aos valores obtidos tanto por simulação em software quanto pelo visto em teoria.
8. BIBLIOGRAFIA MICROELETRÔNICA, ed. 5 - SEDRA E SMITH - Pearson, 2012.
