Instituto Tecnol´ogico de Costa Rica Escuela de Ingenier´ıa Electr´onica Profesores: Ing. Sergio Morales, Ing. Pablo Alvarado, Ing. Eduardo Interiano Laboratorio de Elementos Activos II Semestre 2006 Experimento 5: Transistores BJT como interruptores: Multivibradores I

Objectivo General

Al finalizar el experimento y su an´alisis, el estudiante estar´a en capacidad de explicar el funcionamiento de un transistor funcionando como interruptor en circuitos multivibradores. II

Objetivos Espec´ıficos 1. Explicar el comportamiento del transistor como interruptor y analizar sus caracter´ısticas en las regiones de corte y saturaci´on. 2. Explicar el funcionamiento de circuitos multivibradores monoestables, biestables y astables con transistores BJT, y poder modificarlos para adecuarlos a especificaciones indicadas.

III

Cuestionario Previo 1. Busque las hojas de datos de los diodos y transistores utilizados en este laboratorio. Observe que la corriente nominal de los LED por usted utilizados debe conocerse para poder dimensionar los circuitos utilizados en el laboratorio. 2. Investigue el funcionamiento del transistor como interruptor. ¿Qu´e significa que el transistor trabaje en su regi´on de saturaci´on? ¿Qu´e es la regi´on de corte? 3. En la regi´on de saturaci´on: ¿Qu´e valor t´ıpico se puede esperar para la ca´ıda de tensi´on UBE entre la base y el emisor del transistor? ¿Qu´e tensi´on UCE cae usualmente en este caso entre colector y emisor? 4. En la regi´on de corte: ¿Qu´e valor t´ıpico se puede esperar para la ca´ıda de tensi´on UBE entre la base y el emisor del transistor? ¿Cu´al es la magnitud de las corrientes IC de colector e IE de emisor? 5. Investigue qu´e son circuitos multivibradores monoestables, astables y biestables. Analice el funcionamiento de los circuitos multivibradores basados en BJT a un nivel conceptual. 6. Investigue c´omo se puede cambiar entre los estados estables del multivibrador biestable mostrado en la figura 1. 7. Simule el circuito de la figura 1 y produzca cambios de estado de acuerdo a sus resultados en el punto anterior. Mida y grafique las tensiones en las bases de los transistores, en sus colectores. 1

UCC = 5 V

R C2

R C1 R B2

R B1 Usal2

Usal1 Q1

Q2

Figura 1: Circuito multivibrador biestable. RC1 = RC2 = 1 kΩ, RB1 = RB2 = 10 kΩ

8. Investigue c´omo tiene que ser la entrada de disparo para que el multivibrador monoestable de la figura 2 se active. UCC = 5 V

R B2

R C1 C

R C2 R B1 Usal

Q1

Q2 D1

D2

0,1 µF

2 kΩ

Figura 2: Circuito multivibrador monoestable. RC1 = RC2 = 1 kΩ, RB1 = RB2 = 10 kΩ

9. Analice el circuito de la figura 2 y demuestre que la ca´ıda de tensi´on en la base del transistor Q2 est´a dada por la ecuaci´on UB2 (t) = UCC + (U0 − UCC )e−t/(RB2 C)

(1)

donde U0 = UBE sat − UCC , y UBE sat es la tensi´on entre base y emisor del diodo en saturaci´on, y t = 0 es el instante de disparo. 2

10. Demuestre que el ancho del pulso de salida est´a dado entonces por:   U0 − UCC T = RB2 C ln UBE sat − UCC

(2)

11. Simule el circuito de la figura 2 y grafique la tensi´on de salida Usal , y la tensi´on en la base de Q1 y Q2 , y en el condensador C. En la simulaci´on utilice para los disparos una se˜nal cuadrada a diferentes frecuencias mayores y menores que 1/T . 12. Analice el circuito de la figura 3 y demuestre que la ca´ıda de tensi´on a la salida Usal tiene una frecuencia aproximadamente igual a f=

1,3 1 ≈ T RB1 C1 + RB2 C2

(3)

donde la se˜nal de salida Usal es aproximadamente UCC durante   UCC − U0 tON = RB2 C2 ln UCC − UBE sat y es aproximadamente 0 V durante tOF F = RB1 C1 ln

UCC − U0 UCC − UBE sat



R B1

R C2



UCC = 5 V

R C1

R B2 C2

C1 Usal

Q1

Q2

Figura 3: Circuito multivibrador astable. RC1 = RC2 = 1 kΩ, RB1 = RB2 = 10 kΩ

13. Simule el circuito de la figura 3 y grafique la tensi´on de salida Usal , la tensi´on en la base de Q1 y Q2 , y la tensi´on en los condensadores. 14. ¿C´omo debe modificarse el circuito de la figura 3 para: 3

14.1. duplicar la duraci´on de un periodo? 14.2. que en un periodo la se˜nal de salida tenga un ciclo de trabajo del 20 %, manteniendo la frecuencia? 14.3. que en un periodo la se˜nal de salida tenga un ciclo de trabajo del 80 %, manteniendo la frecuencia? 15. ¿C´omo puede modificarse el circuito de la figura 3 para que la carga consista en dos LED que alternativamente se enciendan y apagan con una frecuencia cada uno de 0,5 Hz. 16. Los resultados de todas las simulaciones con los tres circuitos deben ser presentados al profesor antes de realizar las pruebas experimentales. 17. En la sesi´on de laboratorio no se utilizan los circuitos mostrados en las figuras, sino modificaciones propuestas por usted. Revise el procedimiento y realice todos los dise˜nos all´ı indicados antes de la sesi´on de laboratorio. Monte sus circuitos antes de la sesi´on de laboratorio. IV

Materiales y Equipo

Los n´umeros indicados son las cantidades necesarias de componentes para montar todos circuitos, que deben estar listos antes de la sesi´on de laboratorio. 1 1 1 1 1 1 6 2 6 1 6 1 3 6 3 3 V

fuente CC generador de funciones osciloscopio de rayos cat´odicos (ORC) aislador de tierras (tap´on aislador) mult´ımetro digital placa de montaje de prototipos (protoboard) alambre aislado 26/24AWG, cables, alicates transistores NTE123, 2N2222 o equivalentes diodos de conmutaci´on r´apida (por ejemplo 1N914, NTE519 o equivalentes) resistencias de 1 kΩ resistencia de 2 kΩ resistencias de 10 kΩ condensador de 0,1 µF condensadores dimensionados por el estudiante resistencias dimensionadas por el estudiante LED rojos LED verdes Procedimiento 1. Es importante antes de comenzar que: • aisle la tierra del osciloscopio (use el enchufe aislador) respecto a la tierra de la fuente. 4

• comente todos sus circuitos con el profesor antes de aplicarles energ´ıa el´ectrica. 2. Modifique el circuito de la figura 1 para reemplazar cada carga resistiva (RC1 y RC2 ) por un LED en serie con una resistencia, que usted debe dimensionar para que limite la corriente a un m´aximo igual a la corriente nominal del LED. 3. Compruebe el funcionamiento del circuito biestable. Para ello utilice el mecanismo de cambio de estados por usted sugerido en el cuestionario previo y discutido con el profesor. Note que puede da˜nar los transistores si utiliza alg´un mecanismo no apropiado. 4. Modifique el circuito de la figura 2 para reemplazar las cargas resistivas (RC1 y RC2 ) por LED en serie con resistencias dimensionadas como en el punto 2 del procedimiento. Adem´as, dimensione RB2 y C para que el estado inestable perdure 1 segundo. 5. Verifique el funcionamiento correcto de su circuito produciendo disparos en forma manual y observando el tiempo que perdura el estado inestable. 6. ¿Qu´e ocurre si el diodo D1 es reemplazado por un corto-circuito y el diodo D2 por un circuito abierto? 7. Modifique el circuito de la figura 3 para reemplazar las cargas resistivas por LED en serie con resistencias dimensionadas como en el punto 2 del procedimiento. Adem´as, dimensione RB2 y C para que cada estado perdure 1/2 segundo. 8. Compruebe el funcionamiento correcto de su circuito. VI

Evaluaci´ on 1. Investigue aplicaciones para los circuitos multivibradores biestables, monoestables y astables. 2. Revise c´omo se se pueden modificar los tiempos de los estados inestables en los multivibradores monoestable y astable. Resuma resultados con f´ormulas para calcular los valores de los componentes correspondientes. 3. ¿C´omo puede utilizarse el multivibrador astable para medir la capacitancia de un condensador? 4. ¿Por qu´e deben ser los diodos en el circuito 2 de conmutaci´on r´apida? 5. ¿C´omo se deben modificar los circuitos monoestables si se utilizan transistores BJT del tipo PNP?

PAM/pam, 24 de agosto de 2006

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