Electrónica I. Guía 6

1/9

Facultad: Ingeniería. Escuela: Electrónica. Asignatura: Electrónica I. Lugar de ejecución: Fundamentos Generales, aula 3.21 (Edificio 3, 2da planta).

CARACTERISTICAS DEL BJT

Objetivos generales 

Verificar el funcionamiento de un transistor de unión bipolar en corriente directa.

Objetivos específicos   

Graficar las curvas características de entrada y de ganancia de corriente (β) de un transistor bipolar. Graficar la familia de curvas características de salida a partir de valores medidos. Identificar en la familia de curvas características de salida las zonas de funcionamiento del transistor bipolar (activa, saturación y corte).

Materiales y equipo       

1 Unidad PU-2000 con PU-2200. 1 Placa DEGEM EB-111. 1 Osciloscopio de doble trazo. 2 cables de conexión para osciloscopio. 2 Cables de conexión para el multímetro. 1 puente para la placa DEGEM. 1 Transistor BJT: 2N2050

Introducción teórica La invención del transistor fue el inicio de una revolución que aún continua. Todos los sistemas y dispositivos electrónicos complejos actuales son el resultado de los primeros desarrollos de transistores semiconductores. Uno de estos tipos básicos de transistores es el transistor de unión bipolar (BJT, bipolar junction transistor). El BJT, se construye con tres regiones semiconductoras separadas por dos uniones pn, como lo muestra la estructura plana epitaxial1 de la figura 1. Las tres regiones se llaman emisor, base y colector. En la figura 2 se muestran representaciones físicas de los dos tipos de BJT. Un tipo se compone de dos regiones n separadas por una región p (npn) y el otro tipo consta de dos regiones p separadas por una región n (pnp). El término bipolar se refiere al uso tanto de huecos como de electrones como portadores de corriente en la estructura de transistor. 1

Se refiere a la deposición de una sobre capa cristalina en un sustrato cristalino, donde hay registro entre la sobre capa y el sustrato.

2/9

Electrónica I. Guía 6

Figura 1. Estructura plana epitaxial básica

(a) npn (b) pnp Figura 2. Tipos de BJT, estructura y símbolo El transistor bipolar es un dispositivo amplificador de corrientes, pudiendo hacerse una comparación con una llave de agua en la cual, por medio de la llave se regula el flujo, así también, regulando la corriente en la juntura base-emisor, puede limitarse la corriente que existe entre los terminales de colector y emisor.Es muy importante considerar las condiciones de corte y saturación de un transistor, ya que puede distorsionar las señales que amplifica obteniéndose resultados no deseados en amplificadores de señal. PARÁMETRO ELÉCTRICO RELEVANTE CONDICIÓN DEL BJT Corriente de colector = 0 A. Corte. Voltaje entre colector y emisor = 0 V. Saturación. Ninguna de las anteriores. Conducción – región activa. Tabla 1. Características principales de las zonas de operación del BJT. La ganancia de corriente, o "beta" (β), del transistor conectado en configuración de emisor común, puede ser calculada a partir de los valores medidos de las corrientes de base y de colector: Ganancia de corriente = β =

IC IB

En transistores ideales, β es un valor constante, por ejemplo 125. En transistores reales, el valor de β cambia al cambiar la corriente de base. En la característica de salida del transistor puede apreciarse la relación entre la corriente de base, la corriente de colector y la tensión colector-emisor. Esta relación es mostrada mediante una familia de curvas características.

Electrónica I. Guía 6

3/9

La figura 3, ilustra la operación básica de un BJT como dispositivo de conmutación. En la parte a), el transistor está en la región de corte porque la unión base-emisor no está polarizada en directa. En esta condición, existe, idealmente, una abertura entre el colector y el emisor, como lo indica el equivalente de interruptor. En la parte b), el transistor está en la región de saturación porque la unión base-emisor y la unión base-colector están polarizadas en directa y la corriente en la base llega a ser suficientemente grande para provocar que la corriente en el colector alcance su valor de saturación. En esta condición, existe, idealmente, un corto entre el colector y el emisor, como lo indica el equivalente de interruptor. En realidad, normalmente ocurre una pequeña caída de voltaje a través del transistor de unos cuantos décimos de volt, la cual es el voltaje de saturación, VCE(sat).

(a) Corte – Interruptor abierto.

(b) Saturación – Interruptor cerrado.

(c) Aplicación de operación (a) y (b)

Figura 3. Acción de conmutación de un transistor.

Figura 4. Tipos de encapsulados de transistores.

Procedimiento PARTE I: Prueba de transistores bipolares con el multímetro (escala de diodos). 1. Con el encapsulado viendo los terminales de frente enumérelos a su conveniencia, obteniendo así los terminales 1, 2 y 3. 2. Haciendo uso del tester, llene la tabla 2. Conecte el terminal del tester en el terminal del transistor que se indica, anotando la lectura del mismo en la última columna.

4/9

Electrónica I. Guía 6 Terminal 1 +

Terminal 2 +

+ -

Terminal 3

Valor medido

-

+ -

+ + Tabla 2. Medición de comprobación de estado de un BJT. 3. Qué tipo de transistor (pnp ó npn) se ha medido:_______________ 4. Según las mediciones efectuadas, determine la función de los terminales. (Base, colector, emisor)

Terminal 1 Terminal 2 Terminal 3 Tabla 3. Determinación de los terminales de un BJT.

PARTE II. Características de Entrada del Transistor Bipolar. 5. Introduzca la tarjeta EB-111 por las guías del PU-2000 hasta el conector. 6. Busque el circuito de la Figura 5, que contiene a Q1. Estáubicado en la esquina superior derecha de la tarjeta, coloque el amperímetro y la punta de osciloscopio en los puntos que se indican (recuerde ajustar el acople en DC). 7. Anote el código del transistor de la tarjeta EB111, que está ubicado en el circuito de la figura 5:___________.

Figura 5. Medición de la corriente de base (IB) y voltaje base a emisor (VBE). 8. Ajuste RV1 para obtener los valores de corriente de base que se indican en la Tabla 4,para cada valor de corriente de base mida también la tensión de base a emisor y anótelos en la misma Tabla.

IB(uA)-Nominal

5-10

16-25

30-50

120-200

IB(uA)-Real VBE(V) Tabla 4. Corriente de base (IB) y voltaje base a emisor (VBE).

𝑉𝐵𝐸 = 5 − (𝐼𝐵 ∗ 𝑅𝐵 )

Electrónica I. Guía 6

𝐼𝐵 =

5 − 𝑉𝐵𝐸 𝑅𝑉1 + 𝑅4

5/9

Ecuación 1

PARTE III. Ganancia de corriente. 9. Ajuste el valor de PS-1 a 0.0 V. 10. Arme el circuito que se muestra en la Figura 6.

Figura 6. Medición de ganancia de corriente. 11. Ajuste a RV1 para obtener una corriente de base de 10µA. 12. Ajuste el valor de PS-1 a 10.0 V. 13. Mida el valor del voltaje entre el colector y el emisor VCE (en el canal 1 - A del osciloscopio). Anótelo en la Tabla 5. 14. Varíe la corriente de base con el potenciómetro RV1 como se indica en la Tabla 5, anote los valores de VCE (canal 1 – A), también anote los valores de PS-1 (canal 2 – B) y calcule con la ecuación 2 la corriente IC; luego divida el valor de la corriente de colector entre la corriente de base para completar la Tabla 5. NOTA: R5=470Ω

𝐼𝐶 =

Ib (uA)

10

20

30

𝑉𝑅5 𝑉𝑝𝑠−1 − 𝑉𝐶𝐸 = 𝑅5 470Ω 40

50

60

Ecuación 2

70

80

VCE (V) VPS-1 (V) Ic (mA) 𝛃=

𝐈𝐂 𝐈𝐁 Tabla 5. Medición de ganancia de corriente con Vce variable.

90

100

6/9

Electrónica I. Guía 6

15. Por último calcule el  del transistor. 16. Ajuste VCE a 1.0 V. NOTA: Debe monitorear continuamente este valor para asegurarse que se mantiene constante en lo que falta del procedimiento. 17. Arme el circuito que se muestra en la Figura 7. Dado que solo cuenta con un amperímetro, en el procedimiento primero ajuste Ic y luego traslade el amperímetro a lado de la fuente de 5V.

Figura 7. Medición de la ganancia de corriente con Vce constante. 18. 19. 20. 21.

Ajuste RV1 hasta que Ic sea 1.0 mA Mida el valor del voltaje en R4 (22 kΩ). Anótelo en Tabla 6. Mida el valor de la IB. Anótelo en Tabla 6. Por último calcule el  del transistor.

Ic (mA)

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

VR4 (V) Ib (A) 𝛃=

𝐈𝐂 𝐈𝐁 Tabla 6. Medición de ganancia de corriente.

22. Repita los pasos 18 al 21 para los diferentes valores de Ic. 23. Usando los datos obtenidos anteriormente complete la Tabla 6. 24. Apague el PU2200 y retire la tarjeta EB111.

PARTE IV. Simule en Qucs las características de Salida del Transistor Bipolar. 25. Cree el proyecto: BJT_curves.

26. Agregue los elementos:

9.0

10.0

Electrónica I. Guía 6 Categoría (Lista desplegable horizontal) componentes sueltos Libraries >> Manage Libraries2 Ecuación fuentes simulaciones

Elementos Tierra Transistors Ic = -V2.I Fuente de intensidadDC Fuente de tensión DC Simulación DC Parámetro de barrido Parámetro de barrido

Valor nominal 2N2222A I=Ib U=Vce DC1 Vce Ib

Tabla 7. Librerías, elementos y valores nominales para el circuito a simular.

Figura 8. Parametrización de la simulación.

Figura 9. Asignación de ecuación. 27. Simule el circuito presionando la tecla: F2. 28. Agregue: Componentes >> Diagramas >> Cartesiano. 29. Dé doble clic izquierdo sobre Ic y luego en el botón Aceptar. 2

De ser necesario revise las páginas: 5 y 6 de la guía 5: ELE111_G5_Diodo Zener.pdf

7/9

8/9

Electrónica I. Guía 6

30. Seleccione la herramienta Poner marcas en el gráfico (es un triángulo con la leyenda M1 sobre él). Seleccione algunas de las curvas generadas con este marcador. 31. Guarde la simulación y apague la computadora. 32. Deje en orden y limpio su puesto de trabajo.

Análisis de Resultados 1. Usando los datos de la Tabla 4, grafique la relación IB vrs. VBE. Realice el grafico para un valor inicial de IB de 0 A. 2. Usando los datos de la Tabla 5, grafique la relación IC vrs. IB. Realice el grafico para un valor inicial de IB de 0 A. 3. Usando los datos de la Tabla 6, grafique la relación  vrs. IC, cuando VCE = 1.0V. Realice el grafico para un valor inicial de IC de 0 mA. 4. En la gráfica obtenida en el punto 29 de esta guía identifique las zonas de funcionamiento del transistor bipolar. 5. Para cada una de las graficas de la familia de curvas del punto anterior calcule el valor de  en la zona lineal.

Investigación Complementaria 1) 2) 3) 4)

Investigue el funcionamiento, conexión y utilización de un relé electromecánico. Investigue el funcionamiento, conexión y utilización de un relé de estado sólido. Investigue qué función realiza un circuito denominado puente H con transistores y su utilización en el control de motores DC. Realice una simulación en Qucs para el circuito de la figura 10, grafique bx.

Figura 10. Simulación de la ganancia de corriente en función de Ib. 5) 6)

Modifique la simulación anterior para obtener bx en función de la temperatura. Realice una simulación en Qucs para el circuito de la figura 11, grafique Vbe.

Electrónica I. Guía 6

9/9

Figura 11. Simulación de los parámetros de entrada en función de la temperatura. 7)

8)

Realice un circuito físico3, que permita manejar una carga de 110 Vac (foco con su respectiva roseta o motor) por medio de la conmutación de un transistor (operación de corte y/o saturación) al aplicarle una fuente de 3.3Vdc al circuito de base y un relé electromecánico al circuito de colector, considere los diodos de protección para las bobinas. Modifique el circuito anterior para controlar un motor DC de 12V, por medio de la aplicación de una fuente de 3.3Vdc al circuito de base, considere los diodos de protección para las bobinas.

Bibliografía     

3

Savant C. - Roden M. - Carpenter G. “Diseño electrónico: Circuitos y sistemas”, tercera edición PRENTICE HALL 2000. DEGEM SYSTEMS “Curso EB-111 Fundamentos de los semiconductores I”, Primera edición. I.T.S Inter Training Systems Ltd 1993. Boylestad, R-Nashelsky, L, “Electrónica: Teoría de Circuitos y dispositivos electrónicos”, octava edición PRENTICE HALL 2003. http://www.ele-mariamoliner.dyndns.org/~jsalgado/analogica/7transistores.pdf ftp://kim.ece.buap.mx/pub/profesor/JCC/Libros/Dispositivos%20electronicos%208va%20ed-Floyd.pdf

Revisar tema 4.15, página 206 de Electrónica teoría de circuitos y dispositivos electrónicos, 10m Edición.