Grupo de investigación científica y microelectrónica

Práctica # 5

Transistores

práctica # 6

Objetivos • • • • •

Identificar los terminales de un transistor:( emisor, base, colector). Afianzar los conocimientos para polarizar adecuadamente un transistor. Determinar el punto Q de funcionamiento. Estudiar las diferentes configuraciones. Identificar en las curvas características las regiones activa, corte y saturación.

Equipo • • • •

osciloscopio Multímetro. Fuente DC de 35volt cables

• • •

Generador de onda Resistencias Transistor 2N2222A (npn).

Polarización Un dispositivo activo puede caracterizarse por un conjunto de relaciones entre las tensiones y corrientes en sus terminales. Desde el punto de vista de su polarización solo nos interesan las relaciones estáticas, es decir las que no cambian con el tiempo. Cuando un dispositivo activo se introduce en un circuito con una determinada finalidad (amplificación, oscilación, conmutación, etc.), se establece un conjunto de corrientes y tensiones continuas en los terminales del mismo. A este conjunto de tensiones y corrientes continuas lo denominaremos “punto de trabajo” o “punto de operación”. Este punto de trabajo no es más que el conjunto de valores que satisfacen a la vez las condiciones impuestas por el circuito exterior y por el dispositivo. En definitiva, el punto de trabajo queda determinado por: • • •

Las fuentes de alimentación Las resistencias Las características estáticas del(los) dispositivo(s).

Para el caso del transistor, que es un dispositivo de tres terminales, existen seis variables, las cuales no son independientes, sino que están relacionadas entre sí por las leyes de Kirchhoff de la siguiente manera:

Por : Lucelly Reyes

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Ie = Ib + Ic Vce + Veb + Vbc = 0 Figura 1 Ecuaciones de nodo y de malla para el transistor 2N2222 Por otro lado tenemos: Ic = αIe Ic = βIb De esta manera las variables quedan reducidas a cuatro. Pero además existen relaciones entre las variables restantes que vienen determinadas por la física interna del dispositivo. Estas relaciones pueden venir expresadas por algún modelo sencillo o bien en forma de curvas. Para conseguir que el dispositivo funcione en un punto de trabajo adecuado, se diseña una red que generalmente contiene fuentes de voltaje continuo y resistencias, aunque muchas veces se incluyen además otros componentes (activos y pasivos), a ésta red se le denomina red de polarización. En el diseño de esta red, no solamente se busca llevar el dispositivo al punto de trabajo deseado, sino que también se debe tener en cuenta que se cumplan otros requisitos impuestos por la finalidad que se pretende obtener del circuito, como puede ser ganancia, impedancia de entrada, respuesta en frecuencia, etc. Otro aspecto de gran importancia es la elección del punto de trabajo, elección que se hará teniendo en cuenta los siguientes factores: • •

Punto de trabajo no destructivo del dispositivo. Características del dispositivo adecuadas en dicho punto.

El problema de polarización de un dispositivo no queda completamente resuelto con la elección y diseño de un circuito que lo lleve a funcionar en el punto de trabajo deseado, es necesario que éste punto de trabajo se mantenga frente a cambios de temperatura, de tensiones de alimentación y procesos de envejecimiento. Pero además se debe tener en cuenta que los datos de partida, o sea las características del dispositivo, estén sujetas a unas tolerancias muy amplias. Ante esta realidad no cabe más que una solución: realizar el diseño de forma que las características del dispositivo influyan poco sobre el resultado final, afortunadamente esto es posible, aunque sea a costa de una mayor complejidad de las redes de polarización y, a menudo, del deterioro de otras características del circuito.

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Entre las técnicas habituales con las que cuenta el diseñador para resolver este problema se encuentran las de estabilización, compensación y diseño en el peor de los casos. Las técnicas de estabilización están basadas en la introducción de realimentaciones que hacen que el circuito se adapte a los cambios que se produzcan en el dispositivo de forma que el punto de trabajo permanece invariable, dentro de unos limites razonables. Las técnicas de compensación se basan en la incorporación de algún otro componente auxiliar que, ante una variación exterior ( por ejemplo: temperatura) actúe en forma tal que se compensen las variaciones que se pueden producir en el dispositivo. El diseño en el caso peor pretende garantizar el funcionamiento del circuito en un amplio margen de condiciones, y está basado en la utilización para el diseño de las características más desfavorables, todas reunidas que se puedan dar, y que afecten la consecución de unos determinados objetivos. El diseño en el caso peor lleva a menudo al planteamiento de problemas de gran complejidad cuya solución requiere del computador. Con el fin de obtener información numérica sobre las medidas en que un circuito es estable frente a variaciones de los parámetros, se recurre al análisis de sensibilidad, también llamado de variabilidad o de Por ejemplo, para la corriente de colector de un transistor, Ic, que es función de una serie de variables como son ICBO,VBE, β, Vcc, etc. Ic = Ic(I BCO , V BE , β ......) La diferenciación total es:  ∂I dI C =  C  ∂I CBO

  ∂I dI CBO +  C  ∂V BE 

  ∂I dV BE +  C  ∂β 

 dβ + ... 

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Se definen como factores de estabilidad a:  ∆I C S I =   ∆I CBO

  ∂I C  ≈    ∂I CBO

 ∆I C   ∂I C  ≈  S V =   ∆V BE   ∂V BE  ∆I   ∂I  S β =  C  ≈  C   ∆β   ∂β 

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     

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Donde las derivadas parciales estarán calculadas en el punto de trabajo. De esta manera el desplazamiento total del punto de trabajo puede calcularse como: ∆I C = S I ∆I CBO + S V ∆V BE + S β ∆β + ....

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Los factores de estabilidad tienen la ventaja de ser números que son la medida de la dependencia de una variable con otras. Un análisis de este tipo permite detectar las principales fuentes de inestabilidad y buscar procedimientos de corrección. El transistor que usaremos en el laboratorio es el 2N2222A, con las siguientes características:

Figura 2 Aspecto físico y terminales del transistor 2N2222

Consideraciones para el diseño de la polarización básica Existen varios métodos para el diseño de la red que nos permite polarizar correctamente el transistor. Uno de ellos es partir de sus curvas características y fijar el punto de trabajo. Para un funcionamiento lineal del transistor, éste debe estar polarizado en su zona activa. Esto limita la región de funcionamiento al primer cuadrante de las curvas características Vce, Ic. La polarización en las regiones de corte y saturación presenta interés en los circuitos de conmutación en los que el transistor se comporta como un elemento no lineal. Dentro de la región activa es necesario restringir la región de funcionamiento basándonos en las características limitativas del transistor como son:

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Figura 3 Curvas características de Ic vs Vce para el transistor 2N2222 Tensión máxima Vce(max): Definida en función de la tensión de avalancha. Los valores típicos son del orden de 30 a 50 voltios para transistores de uso general. •

Corriente máxima Ic(max) : Valores típicos son de 800 mA. Por encima de estas corrientes las características del transistor se degradan. •

Potencia máxima disipada: la potencia disipada por un transistor en el punto de trabajo es: •

PT = VCE I C .

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Esta potencia produce un calentamiento del transistor que da lugar a una limitación efectiva en función de la temperatura máxima soportable, que suele ser del orden de los 150° en la unión. Uno de los circuitos de polarización más ampliamente utilizado es aquel que emplea una resistencia en serie con el emisor, con el fin de lograr estabilidad del punto de trabajo. La realimentación introducida por esta resistencia es la clave de la estabilidad conseguida. No obstante se tratará de exponer el funcionamiento de este circuito sin hacer uso de los conceptos de realimentación. El circuito de polarización que usaremos será una configuración de emisor común como se muestra en la figura 4. Es la única configuración que presenta a la vez ganancia de corriente y tensión mayores que la unidad. La caída de tensión en Re tiende a polarizar inversamente la unión de emisor y el divisor de tensión constituido por R1 y R2 establece la tensión de base de manera que la tensión base-emisor tenga sentido directo. Este circuito tiene la ventaja de que una intensificación de la corriente en el transistor altera la caída de tensión en Re de manera que debilita la corriente de polarización de base. El circuito de

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polarización se analiza mejor convirtiendo el divisor de tensión de R1 y R2 en su circuito equivalente de Thévenin.

Figura.4 configuración emisor común Veq =

R2 Vcc R1 + R2

R2 R1 Re q = R1 + R2

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Con el circuito equivalente para cc, puede hallarse el punto de trabajo de la siguiente manera. En primer lugar, sobre las características del transistor se traza la recta de carga adecuada, la cual contiene RC y Re. A continuación se escriben las ecuaciones de la segunda ley de Kirchhoff para las tensiones a lo largo del circuito de base. Veq = Ie Re+ Ib Re q + Vbe y del circuito colector Vcc = Ie(Re+ Rc ) + Vce

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recta de carga

Teniendo presente la aproximación IE.≈ Ic. De estas ecuaciones se despeja Vce en función de la corriente de base Ib. Resultando la curva de polarización. Rc  Rc    Vce = Vcc − (Veq − Vbe )1 +  Ib  + Re q1 + Re  Re   

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En la mayoría de los circuitos puede considerarse Vbe constante e igual a 0.2 V para los transistores de germanio y a 0.6 V para los de silicio. Tomando valores para la corriente de base se calculan los valores correspondiente para Vce sobre las curvas características del transistor. La intersección de esta curva de polarización con la recta de carga da el punto de trabajo, tal como se indica en la figura anterior. Por : Lucelly Reyes

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1. Amplificador Emisor Común Procedimiento • •

Asegúrese de que la fuente de polarización sea de Vcc=12 voltios a la salida. Para identificar los terminales del transistor, coloque el multímetro en la escala para medir continuidad, debe obtener entre base-emisor y base-colector el voltaje equivalente a un diodo: 0.6 a 0.7 voltios. Como el transistor es npn, debe colocar los terminales del multímetro correctamente.

Determine los terminales del transistor y verifique con la siguiente gráfica.

•

Alambre el siguiente diagrama : R2=2.2 KΩ. R1=6.8 KΩ. Rc=220 Ω Re=100 Ω

Figura 5 Circuito de polarización para la configuración de emisor común •

Para el anterior esquema mida las corrientes de base Ib, corriente de colector Ic, y la corriente de emisor Ie de acuerdo a el esquema siguiente:

Figura 6 Puntos donde se miden las corrientes de base, colector y emisor Por : Lucelly Reyes

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Calcule los valores teóricos de la corrientes y llena la tabla siguiente con los valores obtenidos:

Calcule teóricamente el voltaje colector emisor VCEQ. • • • •

Mida con el multímetro digital el voltaje entre el colector y el emisor. Compare los resultados teóricos con los experimentales y concluya. Calcule el parámetro β, compare el resultado con el dato teórico y concluya. Compare el punto Q teórico con el punto experimental.

Mida: • • •

Voltaje base-emisor Vbe. Voltaje de colector emisor Vce. Voltaje de colector base Vcb.

Conecte como voltaje de entrada Vi(t) una señal senoidal del generador de onda y observe la señal de salida Vo(t) con el osciloscopio.

Figura 7 Aplicación del transistor como amplificador de señales alternas

Hallar: • • • •

El voltaje de saturación del amplificador El ancho de banda del amplificador, recuerde que debe dejar fija la amplitud de la señal de entrada Vp y variar la frecuencia . Mida la ganancia de voltaje y corriente AC. Para todos los cálculos hallar los porcentajes de error y enunciar posibles causas de error.

Repita los pasos anteriores para las siguientes configuraciones:

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Figura 8 Configuraciones de colector común y base común del transistor •

Llene la siguiente tabla con los valores medidos en el laboratorio.

Simulación en Pspice Utilice Pspice para simular el circuito de dolarización para la configuración emisor común. Mida todas las variables (corrientes y voltajes de polarización), compárelas con las teóricas. Anexe a su informe el esquemático con los valores medidos.

Informe El informe de laboratorio debe incluir: • Los gráficos de los circuitos montados. • Las tablas con los datos de las corrientes y los voltajes medidos en las tres configuraciones del transistor. • El valor del voltaje de saturación del transistor para cada configuración. • El ancho de banda para las tres configuraciones. • El cálculo del parámetro β para la configuración de emisor común. • Los gráficos de las señales de entrada y salida para cada configuración. • El cálculo teórico del punto de trabajo para la configuración de emisor común. • El error relativo porcentual del punto de operación teórico y el punto de Operación experimental para la configuración de emisor común. • Conclusiones. • Causas de error.

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