Laboratorio de Electrónica I

Proyecto Nro. 3

Francis Pérez C.I 26668068

Naudy Escalona C.I 20348277

1. Defina transistor de unión bipolar.

Es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite aumentar la corriente y disminuir el voltaje, además de controlar el paso de la corriente a través de sus terminales.

La denominación de bipolar se debe a que la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones; pero tienen ciertos inconvenientes, entre ellos su impedancia de entrada bastante baja.

Los transistores bipolares son los transistores más conocidos y se usan generalmente en electrónica analógica aunque también en algunas aplicaciones de electrónica digital, como la tecnología TTL o BICMOS.

2. Explique la construcción de un transistor de unión bipolar

Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha.

La técnica de fabricación más común es la deposición epitaxial. En su funcionamiento normal, la unión base-emisor está polarizada en directa, mientras que la base-colector en inversa. Los portadores de carga emitidos por el emisor atraviesan la base, porque es muy angosta, hay poca recombinación de portadores, y la mayoría pasa al colector. El transistor posee tres estados de operación: estado de corte, estado de saturación y estado de actividad.

3 Dibuje y explique la curva características del transistor.

Mediante esta curva podemos determinar los efectos que producen las variaciones de la tensión de polarización VBE sobre la corriente de base IB. Estas gráficas reciben el nombre de curvas características de transferencia. Las curvas que se obtienen son muy similares a la de un diodo cuando se polariza directamente.

Estas tensiones permanecen prácticamente constantes, por lo que serán de gran ayuda para localizar averías en circuitos con transistores.

Curva Vbe Ib

La función que liga VBE con IB es la característica de un diodo, y puede aplicarse dado que la unión base - emisor, es una pn normal, igual que la de diodo, y al polarizarla, seguirá el mismo comportamiento que aquel.

En la Región Activa la corriente del colector no es totalmente independiente de la tensión colector-emisor. Para valores altos de la corriente cobra importancia la resistencia interna del transistor.

La región de saturación no aparece bruscamente para VCE=0, sino que hay una transición gradual. Típicamente se suele considerar una tensión de saturación comprendida entre 0.1V y 0.3V.

4. Determine que es Base, Colector, Emisor y Beta de un transistor.

Cada una de las zonas consta de un terminal por donde extraer las corrientes. Estos terminales se representan por la inicial del nombre de la zona respectiva: E (emitter), B (base) y C (colector). E (emitter): La zona de emisor es la más fuertemente dopada de las 3, es la zona encargada de “emitir” o inyectar portadores mayoritarios hacia la base. Huecos en el caso de un transistor pnp o electrones en el caso del transistor pnp. B (base): La base tiene un nivel de dopado netamente inferior al de la zona de emisor. Se trata de una zona con un espesor muy inferior al de las capas exteriores. Su misión es la de dejar pasar la mayor parte posible de portadores inyectados por el emisor hacia el colector. C (colector): La zona de colector, como su propio nombre indica es la encargada de recoger o “colectar” los portadores que inyectados por el emisor han sido capaces de atravesar la base. Es la zona con un nivel de dopado inferior de las tres. El factor Beta:La ganancia de corriente b se define como el cociente entre la corriente de colector y la de base. 4 corrientes de huecos, o de carga positiva, y de electrones, o de carga negativa. Los terminales del transistor reciben el nombre de emisor, colector y base. La base es el terminal que está unido a la zona intermedia del transistor. Las tres partes del transistor se diferencian por el distinto nivel de dopaje; la zona de menor dopaje es la base, a continuación se encuentra el colector y por último el emisor. Estudio de las corrientes El análisis del transistor se realizará para una estructura NPN, y es análogo para el PNP. Un transistor sin polarizar se comporta como dos diodos en contraposición, y no existen corrientes notables circulantes por él. Si se polariza, aparecen tres corrientes distintas, la corriente de base, IB, corriente de emisor, IE, y por último la corriente de colector, IC. En la figura siguiente están dibujadas estas corrientes según convenio, positivas hacia adentro: De estas tres corrientes, la del emisor es la más grande, puesto que éste se comporta como fuente de electrones. La corriente de base es muy pequeña, no suele llegar al 1% de la corriente de colector. Aplicando la ley de Kirchhoff se tiene la siguiente relación: IE = IB + IC Existen dos parámetros que relacionan las distintas corrientes, el coeficiente alfa para continua, , y la ganancia de corriente beta, . El factor Alfa. Es el cociente entre la intensidad de colector y la de emisor. Su valor nunca será superior a la unidad y da idea de hasta qué punto son iguales estas corrientes. = IC / IE El factor Beta. La ganancia de corriente b se define como el cociente entre la corriente de colector y la de base. = IC / IB

5. Investigue 3 hojas técnicas de transistor de unión bipolar y determine Beta y límites de operación.

6. Indique como medir el beta de un transistor con un multímetro.

1 – Identificar los terminales del transistor B = Base / E = Emisor / C = Colector.

2 – Configurar el multímetro para medir el Beta del transistor girando la perilla para que apunte a Beta o HFE.

3 – Colocar las patas del transistor (Base/Emisor/Colector) en el multímetro digital, generalmente tiene un toma para insertarlo directamente.

4– Leer el valor del Beta que muestre el multímetro en pantalla, un rango normal es entre 100 y 500 para transistores de baja señal, si el valor de lectura obtenido es muy bajo es probable que el transistor este quemado.

7.¿A qué se denomina Amplificador Emisor Común, Colector Común y Base Común?

AMPLIFICADOR EMISOR COMÚN

El amplificador con transistor bipolar en emisor común (en adelante EC) es uno de los más utilizados, debido a sus elevadas ganancias tanto de tensión como de corriente, como al hecho de tener unas impedancias de entrada y salida con valores intermedios, lo que le hace ideal para etapas intermedias. El punto de partida del amplificador en EC es el conocido circuito auto polarizado en emisor común con resistencia de emisor que se puede apreciar en la figura siguiente, al que se añaden tres condensadores adicionales. a) El amplificador con transistor bipolar en emisor común (en adelante EC) es uno de los más utilizados, debido a sus elevadas ganancias tanto de tensión como de corriente, como al hecho de tener unas impedancias de entrada ySalida con valores intermedios, lo que le hace ideal para etapas intermedias. El punto de partida del amplificador en EC es el conocido circuito auto polarizado en emisor común con resistencia de emisor que se puede apreciar en la figura siguiente, al que se añaden tres condensadores adicionales. b) CE es el condensador de desacoplo. Se usa para desacoplar (o sea desconectar) la resistencia de emisor. Para contestar a la pregunta de porque queremos desconectar dicha resistencia, lo primero que debemos hacer es recordar por qué la incluimos en el montaje. Los transistores bipolares tienen una ganancia de corriente β o hfe muy inestable frente a variaciones de temperatura o de componente, pudiendo llegar a duplicarse. De hecho, para el transistor de la figura, en las hojas de características lo único que nos dice el fabricante sobre la ganancia es que está en el intervalo 200 – 450. La resistencia de emisor proporciona estabilidad al punto de trabajo frente a estas variaciones, pero limita mucho la ganancia. Al incluir el condensador de desacoplo, se mantiene la estabilidad del punto de trabajo (ya que la corriente continua seguirá pasando por RE) pero se aumenta la ganancia de la alterna al comportarse el condensador como un cortocircuito para la señal de alterna, haciendo desaparecer RE.

AMPLIFICADOR COLECTOR COMUN O SEGUIDOR DE EMISOR

Un amplificador también puede utilizar un transistor con el colector conectado como terminal común. Este circuito se denomina generalmente con el nombre de emisor-seguidor, seguramente porque es análogo al seguidor catódico del tubo de vacío. Se podría creer que el procedimiento de análisis seria el mismo que el seguido para las conexiones en emisor común y en base común, pero este no es el caso. En este circuito, la terminal de entrada es el de la base y la terminal de salida es el emisor. Para encontrar los parámetros del amplificador del colector común gráficamente, se requieren las curvas características del transistor a utilizar. La configuración en seguidor de emisor se caracteriza por una ganancia de tensión ligeramente menor que la unidad, una elevada impedancia de entrada y una baja impedancia de salida. Generalmente se utiliza como transformador de impedancia en los circuitos de entrada y salida de sistemas amplificadores. Cuando se sitúa en el circuito de entrada, su elevada impedancia de entrada traduce la carga aplicada a la fuente de señal. Cuando se sitúa en el circuito de salida sirve para aislar de la carga la etapa precedente del amplificador y además, da una baja impedancia de salida.

AMPLIFICADOR BASE COMUN

La configuración en base común. Esta configuración no produce ganancia de corriente, pero sí de la tensión y además tiene propiedades útiles en altas frecuencias.

En la práctica, los valores de los parámetros no se obtienen necesariamente por medio de las pendientes de las curvas. Frecuentemente se usan valores tabulados de los parámetros, para un punto de operación dado. Se puede observar que para cada parámetro se da un valor central de diseño como también valores máximos y mínimos. Los intervalos de valores para cada parámetro indican que en la práctica es razonable hacer algunas aproximaciones. Las hojas de datos suministradas por los fabricantes, generalmente no muestran curvas características de entrada (Base o Emisor), pero contienen las curvas características estáticas de colector de las conexiones emisor y base común, para una temperatura ambiente dada.

8 Mencione que es el punto Q de un transistor y como se obtiene.

PUNTO DE TRABAJO (Q) El transistor bipolar que opera en la región lineal tiene unas características eléctricas lineales que son utilizadas para amplificación. En estos circuitos, las señales de entrada son amplificadas a la salida y, por consiguiente, hay un aporte de energía realizado a través de Fuentes de tensión externas denominadas fuentes de alimentación o fuentes de polarización. Las fuentes de alimentación cubren dos objetivos: proporcionar las Corrientes y tensiones en continua necesarias para que el transistor opere en la región lineal y suministrar energía al transistor de la que parte de ella va a ser convertida en potencia (amplificación). Los valores de corrientes y tensiones en continua en los terminales de un transistor se denomina punto de trabajo y se suele expresar por la letra Q (Quiescent operating point), el punto Q es el punto donde se polariza el transistor, de acuerdo a una gráfica de la corriente de colector(continua) en función de la tensión de colector-emisor(continua), el punto Q estaría en el medio de una pendiente negativa (1/R), esto se hace para trabajar el transistor en zona lineal y no corte ni sature. Se puede polarizar el transistor de formas q vos necesites, ya sea para que corte o sature. En fin el punto Q es el punto donde polarizas el transistor para trabajar según tu conveniencia. El análisis del punto de trabajo de un dispositivo, como ya se sabe, se puede llevar a cabo de dos formas diferentes: analítica (realizando un análisis matemático de todas las ecuaciones implicadas) o gráfica ( recta de carga en continua). Obtener el punto de trabajo Q de un dispositivo consiste básicamente en obtener el valor de las diferentes tensiones y corrientes que se establecen como incógnitas en el funcionamiento del mismo. El método analítico, se basa en resolver el sistema de ecuaciones que se establece teniendo en cuenta: las leyes de Kirchoff aplicadas a las tensiones y corrientes que definen el funcionamiento del dispositivo; las ecuaciones que se obtienen del comportamiento del mismo, según la región de funcionamiento (circuito equivalente); y las relaciones eléctricas del circuito de polarización usado. Si se desea realizar el análisis gráfico, hay que disponer en primer lugar de las curvas de funcionamiento del transistor (curvas características de entrada y salida), que se podrían obtener también como representación de las ecuaciones que definen el comportamiento del transistor. Sobre estas curvas se traza la denominada recta de carga en continua (impuesta por el circuito eléctrico externo del transistor), y los puntos de intersección de esta recta con las curvas del dispositivo establece los posibles puntos de trabajo Q. El siguiente paso es determinar exactamente cuál de esos posibles puntos es el de funcionamiento.

Actividades de Laboratorio

1. Busque en el manual ECG el transistor 2N2222.

Transistor Bipolar NPN de baja potencia cuyas características principales son las

siguientes:

Corriente máxima: 800mA

Voltaje máximo: 40V

hfe: valores típicos alrededor de 150

2. Monte el siguiente circuito e incorpore como entrada una señal cuadrada con

periodo de 2 segundos.

Q12N2222

D1LED-RED

R1

1k

R1(1)

Vcc

3. Calcule la frecuencia.

f= 1T

=12=0.5Hz

4. Explique.

El circuito mostrado en la figura anterior, funciona como un switch que

enciende y apaga el diodo Led cada 2 segundos. Esto se debe a que la entrada es

una onda cuadrada que durante el semi-ciclo positivo permite que exista circulación de

corriente de base y de colector a través del transistor, produciendo que durante este

semi-ciclo el Led se encienda. Por el contrario, durante el semi-ciclo negativo,

la corriente de base y colector serán cero, haciendo de esta manera que el Led

se apague.

PARTE II. AMPLIFICADOR DE VOLTAJES CON TRANSISTOR.

1. Monte un circuito amplificador emisor común con Vcc = 12V, Rc = 1KΩ, Re = 470Ω, Beta = 100. Grafique. Para el cálculo de los condensadores utilice:

Vi = 0.1V / 1KHz Vbe = 0.7V RL = 1KΩ ZCS = ZCR = 1Ω CS = CR = 159.15μF

Q12N2222

Vcc

R214.65k

R16.9k

CS1

15.91uF

RC1k

RE470

RL1k

CS2

15.91uF

CR15.91uF

Vin

Rca = RC || RL = 1k || 1k = 500Ω

Rcd = Rc + Re = 1k + 470 = 1470Ω

IC = Vcc / (Rca + Rcd) = 12 / (500 + 1470) = 6.09mA

VCE = IC * Rca = 6.09m * 500 = 3.05V

VCC’ = 2 * VCC = 6.1V

RB = 0.1 * β * RE = 0.1 * 100 * 470 = 4.7KΩ

VBB = VBE + IC * (1.1 * RE) = 0.7 + 6.09m * (1.1 * 470) = 3.85V

R1 = RB / (1 – VBB / VCC) = 4.7K / (1 – 3.85 / 12) = 6.9KΩ

R2 = VCC *0 RB / VBB = 12 * 4.7K / 3.85 = 14.65KΩ

Mida

VCE = 4.97V

IC = 5.99mA

Q:

Grafica del punto Q:

Grafica de tensión de entrada y de salida:

PARTE III. DISEÑO DE CIRCUITOS CON TRANSISTORES.

1. Se tiene como entrada una fotoresistencia. Si hay luz se debe encender una

lámpara que indique que el sistema esta operativo pero en modo de descanso.

Si oscurece el sistema debe apagar la lámpara. Establezca usted los niveles de

tensión necesarios para determinar claridad/oscuridad. Simule el circuito.

BAT112V

1000.0 LDR1LDR

Q12N2222

R1

RC

D1LED-RED

Para este diseño, se empleara un diodo Led rojo y un fotoresistor con las siguientes

características:

Diodo led: voltaje de operación típico de 2V con 20mA de corriente

Fotoresistor: varia su resistencia respecto del nivel de luminosidad de la

siguiente manera:

1000 lux: 339Ω

400 lux: 745Ω

100 lux: 2.45KΩ

Se realizaran los cálculos de manera que el led este encendido con máximo

brillo a partir de un nivel de luminosidad de 1000 lux. Esto quiere decir que

VBE = 0.7V cuando RLDR = 339Ω

Por regla de diseño, sabemos que la corriente que circulara por la fotoresistencia debe

ser al menos 10 veces mayor que la corriente de la base para tener estabilidad de

polarización, de esta manera podremos aplicar LVK en el camino que recorre VCC, RLDR

y VCE para conseguir la corriente de la base:

VCC – 10 * IB * RLDR -0.7 = 0

IB = (12 – 0.7) / (10 * 339) = 3.33mA

De esta manera podremos calcular el valor de R1:

R1 = VBE / (9 * IB) = 0.7 / 0.03 = 23.33Ω

Calculamos ahora RC empleando como datos los valores típicos del led:

RC = (VCC – VLED) / ILED = (12 – 2) / 0.02 = 500Ω

A continuación se anexan simulaciones del circuito resultante con diferentes valores

de Lux en RLDR:

1000 Lux:

BAT112V

1000.0 LDR1LDR

Q12N2222

R123.33

RC500

Volts+2.25

mA+18.2

D1LED-RED

800 Lux:

BAT112V

800.0 LDR1LDR

Q12N2222

R123.33

RC500

Volts+2.17

mA+0.74

D1LED-RED

600 Lux:

BAT112V

600.0 LDR1LDR

Q12N2222

R123.33

RC500

Volts+0.38

mA+0.00

D1LED-RED

POST- LABORATORIO 1. Defina condensadores de paso y de acoplamiento.

Condensador de paso: es un capacitor que establece un paso directo de baja

impedancia para las señales AC entre los terminales de un circuito.

Condensador de acoplamiento: es un capacitor que permite conectar 2 etapas de

un circuito dejando pasar la componente AC de la señal y bloqueando o atenuando su

componente DC.

2. Diseñe el circuito equivalente con parámetros híbridos

Circuito hibrido equivalente para amplificador de la actividad II:

3. Explique que es ganancia y determine Av y Ai en el circuito de la parte 2 de la práctica.La ganancia de un circuito se puede definir como la relación que existe entre la

amplitud de la señal de salida y la señal de entrada.

A = vo / vi

Para el circuito emisor común de la parte 2, las ganancias de tensión y corriente

vienen dadas por:

Av = -gm * (RC || RL) = -(6.09m * 500 / 26m) = -117.12

Ai = - (RB * RC) / ((RB / β) + re) * (RL + RC)

Ai = - (4.7K * 1K) / ((4.7K / 100) + 4.27) * (1K + 1K) = -45.84