Física Experimental III – Guía de Laboratorio (2016) Práctico: El Transistor Bipolar. Tarea 1: Curvas de salida del transistor bipolar, relación

.

Objetivo: Implementar un circuito para trazar las curvas de salida de un transistor bipolar, las cuales definen la relación . Conceptos preliminares. La curva de salida más representativa del transistor bipolar está dada por la variación de la corriente de colector, IC, en función de la tensión de colector emisor, VCE, y parametrizada por la corriente de base, IB. En la Fig. 1 se muestran las curvas de salida para el transistor NPN modelo BC546, extraídas de las hojas de datos del fabricante.

Fig. 1: Curvas de salida del transistor BC546 extraídas de las hojas de datos del fabricante. Determinación del punto de trabajo Q a partir de la recta de carga del colector.

Cuando el transistor bipolar se encuentra polarizado, los valores que toman IC y VCE deben cumplir simultáneamente con la relación , (1) que surge del comportamiento físico de las junturas de dicho transistor, y con la segunda ley de Kirchhoff para las tensiones del circuito de salida del colector, de la cual se obtiene la relación: página 1/8

, (2) donde se observa que para

, tenemos

, y para

, tenemos

. La ecuación

(2) define una recta denominada recta de carga del colector. En la Fig. 1 se muestra el gráfico de dicha recta de carga junto con las curvas de salida definidas por la relación (1), para diversos valores de la corriente media o continua de base IB. Para un valor determinado de IB, el punto de unión de la curva dada por (1) y la recta de carga (2) se denomina punto de trabajo Q, dicho punto define los valores ICQ y VCEQ que tomarán la corriente de colector y la tensión colector-emisor del transistor. En la Fig. 1 se muestra el punto de trabajo Q para IB = 150µA = IBQ, VCC = 15V, Rc = 200 y Re = 10, de lo que se obtiene ICQ ≈ 38mA y VCEQ ≈ 8.6V, para estos valores se extrae que Q = ICQ/IBQ ≈ 250. Puede concluirse, a partir de la Fig. 1, que si se fija IB y se varía VCC, entonces se obtendrán rectas de cargas paralelas entre sí, que cortan al eje de abscisas en dicho valor de VCC, y el punto Q recorrerá los valores definidos de la curva característica de salida para ese valor de I B, esto se utilizará a continuación para realizar el trazado de las curvas de salida del transistor. Actividades: 1. Implemente el circuito dado en la Fig. 2 para realizar el trazado de las curvas de salida del transistor BC546C. Para ello conecte el Canal 1 del osciloscopio como se muestra e invierta los valores que mide, conecte el Canal 2 como se muestra (sin invertir las medidas). 2. Conecte el generador de señales como se muestra en la figura, tenga en cuenta que además se debe conectar un amplificador entre el generador y el circuito. Configure el generador para una salida de onda triangular con una frecuencia de aprox. 50Hz, asegúrese de que la salida está configurada para entregar los máximos valores posibles de tensión. 3. Configure el osciloscopio para medir en modo XY, observe el trazado de las curvas para diferentes valores VCC de la fuente, con lo que se variará IB, y mida los valores de la corriente de base con un multímetro, como se muestra en el circuito. Varíe VCC entre 0V y 15V, esto debería variar IB entre 0µA y aprox. 150µA. Tenga cuidado de no exigirle a la fuente valores de tensiones

excesivas!!!. Los valores de IC se obtienen de la lectura de tensiones del Canal 2 divididas por 10, debido a la resistencia Rc2. Observe que la resistencia Rc1 utilizada admite una potencia de hasta 2W. Sugerencias: Ajuste la escala de los canales para poder aprovechar al máximo la pantalla del osciloscopio. Mueva el punto de inicio de las curvas al primer cuadrado que se encuentra más a la izquierda y abajo de la retícula. Si no se ven bien definidos los trazos, cambie la persistencia del display a 1seg. o más.

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4. Realice la medición de al menos unas 6 o 7 curvas que representen adecuadamente la respuesta de salida del transistor para el rango de valores de IB entre 0µA y aprox. 150µA, por lo que se deberá elegir un paso de IB de unos 25µA. Como el osciloscopio Tektronix no graba en modo XY, se deberá pasar al modo Y(t) y grabar las señal de los dos canales en función del tiempo, luego en el Origin se grafica la columna de los valores de tensión del Canal 2 en función de la columna de valores de tensión del Canal 1, para así recuperar el gráfico XY. Tenga presente el medir el valor de IB para cada curva, luego en el informe reporte los valores máximos y mínimos de  = IC/IB que obtuvo para cada curva considerando el rango de tensiones de VCE dentro de la región activa, es decir para valores de VCE entre 1.5V y el valor máximo que pudo medir en cada curva (observe que al variar VCC la recta de carga define un máximo valor de V CEQ cada vez menor para las curvas correspondientes a los valores de mayor IB). Sugerencias: Al pasar al modo Y(t) solo necesita guardar los datos que se corresponden con la rampa de subida de la onda triangular, por lo que configure las escalas y el trigger del osciloscopio para poder ver lo más que se pueda en la pantalla a dicha rampa (en el Canal 1) y a los valores de tensión que mide en el Canal 2 (los cuales al dividir por 10 ya dan los valores de corriente IC). Promedie las medidas que realice y luego grabe las señales para que posteriormente en el Origin recupere el gráfico XY.

Fig. 2: Circuito y esquema de conexionado en protoboard para el trazador de curvas de salida del transistor.

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Tarea 2: Aplicación digital, el transistor bipolar como interruptor. Objetivo: Implementar un circuito para observar el funcionamiento del transistor como una llave digital. Conceptos preliminares. Cuando el punto Q se sitúa en la región donde VCE toma los valores más bajos pero donde la corriente IC puede tener valores no nulos, entonces decimos que el transistor se encuentra en saturación. Esta región, llamada región de saturación, está definida en la Fig. 1 a la izquierda de la recta vertical en 1.5V. Puede verse que si el punto Q se encuentra en esta región, entonces por más que se aumente la corriente de base, IB, no se manifestarán cambios significativos en la corriente de colector, la cual permanecerá en un valor muy cercano a

. Por su parte, la tensión VCE tomará valores bajos que tampoco cambiarán mucho al

cambiar IB, y donde se define un valor de saturación VCE(sat). Por otro lado, si se baja suficientemente la corriente IB tal que la corriente IC prácticamente se anule, por lo que el punto Q estará prácticamente sobre el eje de abscisas, entonces el transistor entra en corte (ya que no circula corriente de salida o IC) y dicha región, pegada al eje de las abscisas, se la denomina región de corte. La región restante, donde el punto de trabajo Q se puede ajustar con libertad para que el transistor cumpla con algún requerimiento, se la denomina región activa. De lo anterior podemos concluir que, con una corriente de base nula o que supere cierto valor, es posible llevar al transistor a un estado de corte o de conducción a voluntad, y de esta forma convertirlo en una llave digital. Además, dicha llave puede manejar valores importantes de corriente a partir de una señal de control con poca exigencia de corriente. Las siguientes actividades exploran este aspecto del funcionamiento del transistor. Actividades: 1. Implemente el circuito dado en la Fig. 3, donde se utiliza un transistor BC546C como llave digital. Elija una tensión VCC de 5V. Observe que las resistencias de 100 utilizadas admiten una potencia de hasta 2W. Sugerencia: Observe que el circuito es prácticamente el mismo que el de la Tarea 1, solo se ha cambiado el valor de la resistencia Rb y se han agregado los LEDs, junto con otra resistencia de colector de 100 (2W), por lo que podrá ser implementado a partir del circuito de la Fig. 2. 2. Configure el generador de señales para una salida de onda cuadrada con una frecuencia de aprox. 5Hz, asegúrese de que la salida está configurada para entregar los máximos valores posibles de tensión. 3. Conecte el osciloscopio como se muestra en el circuito para poder medir cómo es la tensión de entrada, y por lo tanto la corriente de base, cuando se encienden o apagan los LEDs. 4. ¿Que concluye de esta experiencia?. página 4/8

Fig. 3: Circuito y esquema de conexionado en protoboard para la llave digital con transistor.

Tarea 3: Aplicación analógica, el transistor bipolar como amplificador de tensión. Configuración en emisor común. Objetivo: Implementar un circuito en la configuración de emisor común para observar el funcionamiento del transistor como amplificador. Conceptos preliminares. La relación entre la corriente de colector y la corriente de base está dada por el parámetro  del transistor, el cual es mucho mayor que la unidad ( = IC/IB ≈ 250 para el punto de trabajo Q). De lo anterior, considerando IB como la entrada del circuito e IC como su salida, surge el concepto del transistor como amplificador de corriente, pero además se puede obtener amplificación entre algún valor de tensión de entrada y salida a través de redes resistivas apropiadas. El objetivo de la presente Tarea es observar las propiedades del transistor como amplificador de tensión, midiendo los valores de tensión de una señal de salida a partir de una señal senoidal de entrada con el transistor en configuración de emisor común (el emisor es la referencia común entre la entrada del transistor, que es la base, y la salida del mismo, que es el colector). Se ha visto en las Tareas anteriores que la configuración del punto de trabajo Q es de fundamental importancia para establecer la función o trabajo que cumplirá el transistor. En el caso de la Tarea 2, se vio que moviendo el punto Q se puede llevar al transistor a la saturación o al corte y así usarlo como llave digital. Para describir el funcionamiento del transistor como amplificador, es conveniente separar su comportamiento ante los valores de las corrientes y tensiones de continua y ante los correspondientes valores de alterna. Por página 5/8

ello se estudia por un lado el circuito equivalente de continua, que define el punto de trabajo Q (configurando los valores de IBQ, ICQ y VCEQ), y por otro lado el circuito equivalente de alterna, que define los valores de corrientes y tensiones obtenidos al variar los valores de IB, IC y VCE alrededor de dicho punto de trabajo. Se puede observar, de la Fig. 1, que variando IB alrededor de Q también varían en forma correlacionada los valores de IC y VCE. De lo anterior, es conveniente para estudiar el comportamiento del transistor el definir las siguientes corrientes y tensiones: que son los correspondientes valores de alterna alrededor de Q. De la Fig. 1, puede concluirse que para obtener una máxima variación simétrica de los valores de i C y vCE, ante variaciones de iB, el punto de trabajo Q debe situarse cerca de la mitad de la recta de carga, entre la región de saturación y de corte, para así evitar distorsiones o truncamientos en la señal de salida para el rango más amplio posible de amplitudes de la señal de entrada. El circuito de funcionamiento como amplificador en emisor común, con la red de polarización que define el punto de trabajo, puede verse en la Fig. 4. Este circuito permite polarizar adecuadamente tanto la juntura del colector como la del emisor usando solo una fuente de tensión continua (VCC). El capacitor Ci permite acoplar la señal alterna de entrada Vi a las tensiones de polarización del punto Q en la base o entrada del transistor, además, de esta manera la resistencia de entrada Ri no afecta al circuito de polarización del transistor.Por su parte, el capacitor Co permite desacoplar las tensiones de continua en el colector o la salida del transistor y así obtener una señal de salida Vo completamente alterna. En general, los valores de Ci y Co se elijen los suficientemente grandes (47nF para el circuito en Fig. 4) como para que su efecto de Filtro Pasa Altos permita transferir sin distorsión señales a partir de una baja frecuencia de corte. La resistencia Re, en el emisor, se utiliza para independizar la polarización de las importantes variaciones que presenta el parámetro  en la fabricación de un mismo tipo de transistor. Además, esta resistencia estabiliza las tensiones de polarización ante cambios en la temperatura de las junturas, por medio de un efecto de tensión de realimentación negativa en el circuito de entrada. El capacitor Ce, en paralelo a Re, sirve para desacoplar dicha resistencia para las señales de alterna, por lo que Re=0 para esta señales. De esta forma se mejora la ganancia de corriente en alterna, dado que la recta de carga en la Fig. 1 tiene mayor pendiente para alterna que la correspondiente para continua. En general, se elije el valor de Ce lo suficientemente grande (47nF en Fig. 4) para que la frecuencia de corte de su efecto de Filtro Pasa Bajos sea lo más baja posible. Las resistencias R1=R1a+R1b y R2 conforman la red de polarización del transistor. La segunda ley de Kirchhoff para el circuito de entrada en continua nos lleva a las siguientes relaciones: , (4) donde se definen: , y

, (5)

además se tiene que VBEQ ≈ 0.75V. página 6/8

De las expresiones (4), puede verse que si elegimos que se cumpla , entonces la corriente ICQ será prácticamente insensible a las variaciones de , por lo que el punto de trabajo Q elegido no se verá afectado por dichos cambios. Como consideración de diseño se establece: .

(6)

La resistencia de colector Rc=Rc1+Rc2 permite la polarización de la juntura colector-base y además genera la tensión alterna de salida del amplificador. Usando la ecuación (2), podemos ver que para las componentes continuas de los valores en Q se tiene: .

(7)

Por otro lado, para las componentes alternas de los valores de corriente y tensión, se tiene: . (8) Si definimos el punto Q sobre la curva con IBQ = 100µA y eligiendo VCEQ = 8V, para poder tener máxima variación simétrica en la señal de salida, con VCC = 15V, tenemos que ICQ ≈ 27mA, por lo que  ≈ 270. Para Re = 10, la consideración de diseño (6) nos lleva a que Rb =  Re/10 = 270. Con estos valores, de las ecuaciones (4) se extrae que: VB = 0.75V + 11 * 100µA * 270 = 1.047V. Usando las relaciones (5), obtenemos: , y

,

(9)

por lo que, con los valores anteriores, tenemos: 







, y



.

El diseño del amplificador en la configuración de emisor común, con los valores obtenidos para la presente elección del punto de trabajo, es mostrado en la Fig. 4, donde se eligió una resistencia de salida Rc = 200 = 100+100. La resistencia de entrada Ri se la incorpora para poder atenuar la tensión de la señal de entrada Vs. Esto debe hacerse porque los generadores de señales tienen tensiones mínimas posibles, para la amplitud de la señal, que están cerca de llevar a la señal de salida del amplificador a deformarse, debido a la ganancia en tensión del mismo. La red de atenuación, constituida por el divisor resistivo formado por Ri y por la resistencia equivalente en la entrada del transistor, afecta solo a las tensiones alternas en la entrada. Las actividades siguientes tienen como objetivo la implementación del circuito de la Fig. 4 y su verificación como amplificador de señales. Actividades: 1. Implemente el circuito dado en la Fig. 4, donde se utiliza un transistor BC546C como amplificador de señales en configuración de emisor común. Elija una tensión VCC de 15V. Observe que las resistencias de 100 utilizadas en el circuito del colector admiten una potencia de hasta 1W.

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2. Configure el generador de señales para una salida de onda sinusoidal con una frecuencia de aprox. 25KHz y una amplitud tal que en el canal del osciloscopio conectado a Vi la sinusoide tenga una amplitud pico-a-pico de 400mV. 3. Mida con el osciloscopio la ganancia de tensión Av, midiendo la relación entre las amplitudes pico-apico de Vo y Vi. Responda: ¿Cómo es la relación de fase entre Vo y Vi?, ¿por qué tienen esa relación de fase?. Guarde las señales medidas para el informe. 4. Conecte ahora el generador directamente sobre el punto de entrada Vi, evitando la resistencia Ri. Cambie la amplitud pico-a-pico en la salida del generador, y por ende en Vi, para tener un valor de 2V. Reponda: ¿Qué ocurre con la señal de salida?, ¿por qué ocurre esto?. Mida los valores máximos y mínimos de la señal de salida. Responda: ¿Cómo se relacionan estos valores con la configuración del punto de trabajo Q elegido?, ¿qué puede decir sobre la forma de la señal de salida con respecto a la forma de la señal de entrada?. Guarde las señales medidas para el informe.

Fig. 4: Circuito y esquema de conexionado en protoboard para el transistor como amplificador en emisor común.

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