Electronic A i Manual

INSTITUTO POLITECNICO NACIONALUNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGIA

DEPARTAMENTO DE BIOINGENIERIA ACADEMIA DE BIOINGENIERIA

MANUAL DE PRACTICAS PARA EL LABORATORIO DE ELECTRONICA I TIPO DE UNIDAD DE APRENDIZAJE: TEORICO-PRACTICO HORAS PRCTICA/SEMANA: 3.0

Elaborado por: M. en C. Engelbert Eduardo Linares Gonzlez

PLAN 2006

UNIDAD PROFESIONAL INTERDISCIPLINARIA DE BIOTECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE BIOINGENIERA ACADEMIA DE BIOINGENIRA

Manual de Laboratorio: ELECTRNICA I

INDICEIndice Prologo Practica #1: DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES Practica #2: EL DIODO COMO RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA Y ONDA COMPLETA Practica #3: EL DIODO COMO LIMITADOR DE TENSIN Practica #4: TRANSISTOR BJT Practica #5: POLARIZACIN DEL TRANSISTOR Practica #6: EL TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR DIFERENCIAL Practica #7: EL TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO Practica #8: DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES DE POTENCIA SCR, TRIAC, DIAC Practica #9: APLICACIONES CON OPTO-ELECTRNICA Practica #10: PROYECTO DE LABORATORIO APENDICES 2 3 4 13 22 27 36 42 49 56 66 74 75

M.enC.EngelbertE.LinaresGonzlez

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PROLOGO El presente manual de prcticas correspondiente a la asignatura terica practica de Electrnica I plan 2006, comprende la cantidad de nueve prcticas y un proyecto final definido como practica diez que corresponden al curso de un semestre de la materia. Estos ejercicios fueron clasificados como bsicos y describen la operacin de los elementos electrnicos usuales, las prcticas presentan la operacin y diseo en ciertas condiciones de trabajo, los dispositivos y la de aplicacin corresponden tanto a la utilizacin de los dispositivos en prototipos elementales que ejemplifican el uso de estos, as como a la presentacin de un proyecto personal a desarrollarse en las ltimas sesiones del laboratorio. Bajo lo anterior descrito, este manual completa la serie de actividades tericopracticas que proporcionan al alumno de la materia de Electrnica I, las habilidades necesarias para el manejo de los dispositivos electrnicos ms usuales en el rea de la Ingeniera en Biomdica.

M. en C. Engelbert Eduardo. Linares G.


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PRACTICA No 1 DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORESOBJETIVO GENERAL Describir el funcionamiento de un diodo semiconductor e interpretar su curva caracterstica.

OBJETIVOS PARTICULARES Identificar las terminales de distintos tipos de diodos mediante el multmetro. Determinar el estado del diodo (conduccin) aplicando la polarizacin directa e inversa. Construir la curva caracterstica (real) de los diodos semiconductores.

INTRODUCCIN Unas cuantas dcadas que han seguido a la introduccin del transistor, hacia finales de los aos cuarenta, han sido testigos de un cambio asombroso en la industria de la electrnica. La miniaturizacin que se ha lograda nos ha dejado sorprendidos de sus alcances. Sistemas completos aparecen ahora sobre una oblea de silicio, miles de veces ms pequea que un solo elemento de las redes iniciales. El tipo ms simple de dispositivo constituido como un semiconductor es el diodo que desempea un papel importante en los sistemas electrnicos; Con sus caractersticas que son muy similares a la de un interruptor, aparece en una amplia variedad de aplicaciones que van desde las ms sencillas a las ms complejas. El diodo semiconductor se forma uniendo un material tipo P con uno tipo N, construidos de la misma base: germanio (Ge) o silicio (Si), mediante tcnicas especiales. En el momento en que son unidos los dos materiales, los electrones y los huecos en la regin de la unin se combinan, dando por resultado una falta de portadores en la regin cercana a la unin. A esta regin de iones positivos y negativos descubiertos se le llama regin de agotamiento o de empobrecimiento, o barrera de unin, debido a la disminucin de portadores en ella.

ANODO

CATODO

---------------------->

Figura 1.


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En la figura 1, se muestra el smbolo y el aspecto fsico de un diodo rectificador, la flecha que simboliza el nodo representa la direccin del "flujo convencional de corriente y el ctodo se identifica con una banda en los diodos pequeos. La aplicacin de un voltaje a travs de sus terminales permite tres posibles polarizaciones: Sin polarizacin ( V D = 0 . ); Polarizacin directa (VD>0 .) y Polarizacin inversa (VD> 5 c) Mida la seal de salida en el diodo, anotar la forma de voltaje que tiene la seal de salida y dibuje la forma de onda. d) Calcule el voltaje de salida en el diodo y compare los resultados obtenidos experimentalmente. e) Calcule el porcentaje de error en los resultados tericos cuando se analiza el circuito con el modelo del diodo ideal y los resultados experimentales.


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EXPERIMENTO 4. CAMBIADOR DE NIVEL NEGATIVO. a) Construya el circuito de la figura 4, verificando la polaridad correcta del capacitor y del diodo como se muestran.

Figura 4

b) Ajuste la fuente de alimentacin V1 a 1.5 volts, incremente gradualmente en 0.5 volts la salida de la fuente hasta obtener 6 volts. Para cada incremento mida el voltaje pico a pico en el arreglo serie diodo fuente, y grafique la forma de onda resultante. c) Calcule el voltaje de salida en el diodo y compare los resultados obtenidos experimentalmente. d) Calcule el porcentaje de error en los resultados tericos cuando se analiza el circuito con el modelo del diodo ideal y los resultados experimentales. e) Determinar en forma precisa el cambio de nivel obtenido en este circuito .

ANALISIS DEL EXPERIMENTO Anexar el anlisis terico del experimento, indique bajo que ecuaciones se relaciona el resultado experimental.


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CUESTIONARIO 1. Explique la relacin que existe entre el voltaje de salida en un recortador polarizado con respecto a la polarizacin del diodo. 2. Explique la diferencia entre las formas de onda de salida de los recortadores de tipo positivo y los recortadores de tipo negativo. 3. Explique la relacin entre la seal de salida y los voltajes de polarizacin de los diodos en un circuito recortador polarizado tipo positivo con doble diodo. 4. Calcule la corriente mxima que pasa a travs del potencimetro de 2.5 K . 5. Explique que sucede cuando a travs del potencimetro se obtiene un desequilibrio de voltaje entre la rama positiva y la rama negativa. 6. Explique en que etapa del experimento 2, se requiere obtener la mxima corriente en el potencimetro. 7. Explique porque es necesario elegir correctamente los valores del capacitor y la resistencia en los circuitos de cambio de nivel. 8. Investigue dos aplicaciones de circuitos de cambio de nivel en instrumentacin Biomdica. 9. Explique en que momento se observa directamente en el osciloscopio el cambio de nivel. 10. Cmo contribuye la fuente de voltaje en serie con el diodo en el cambio de nivel? 11. Se puede disear un cambiador de nivel de tal manera que pueda modificar el nivel tanto positiva como negativamente?


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PRACTICA No 4 TRANSISTOR BJTOBJETIVOS Identificar al transistor como un dispositivo semiconductor, cuyo funcionamiento depende del tipo de configuracin de polarizacin en que se conecte. OBJETIVOS PARTICULARES Identificar las terminales del transistor bipolar (Emisor, Colector y Base) Analizar el funcionamiento del transistor en configuracin base comn. Trabajar el transistor bipolar NPN y PNP como conmutador con niveles lgicos.

INTRODUCCIN El transistor esta compuesto por tres zonas de dopado, como se ve en la figura 1:

Figura 1 Zonas que conforman al transistor

La zona superior es el "Colector", la zona central es la "Base" y la zona inferior es el "Emisor". El Emisor est muy impurificado, la Base tiene una impurificacin muy baja, mientras que el Colector posee una impurificacin intermedia. En este ejemplo concreto el transistor es un dispositivo NPN, aunque tambin podra ser un PNP. Un transistor es similar a dos diodos, el transistor tiene dos uniones; una entre el emisor y la base y la otra entre la base y el colector. El emisor y la base forman uno de los diodos, mientras que el colector y la base forman el otro. Estos diodos son denominados: "Diodo de emisor" y "Diodo de colector". El transistor NPN, primeramente cuando est sin polarizar se produce una "Difusin", donde los electrones cruzan de la zona N a la zona P, se difunden, encuentran un hueco y se recombinan.


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Esto hace que en las uniones entre las zonas N y P generen iones positivos y negativos. Esta difusin y recombinacin se da hasta llegar al equilibrio, hasta conseguir una barrera de potencial de a 0.7 V (para el Si). Se crean dos uniones una unin E-B y otra unin CB. Si se conectan fuentes de tensin externas para polarizar al transistor, se obtienen resultados nuevos e inesperados. Hay 3 configuraciones: Base comn (BC). Emisor comn (EC). Colector comn (CC).

Cada una de estas configuraciones a su vez puede trabajar en 4 zonas diferentes:

Zona ACTIVA: Zona de SATURACIN: Zona de CORTE: Zona ACTIVA INVERTIDA:

UE en Directa y Uc en Inversa. UE en Directa y Uc en Directa. UE en Inversa y Uc en Inversa. UE en Inversa y Uc en Directa.

AMPL FICADORES CONMUTACIN CONMUTACIN SIN UTILIDAD

Con esto vemos que el transistor puede trabajar de cuatro formas diferentes. El negativo de la pila VEE repele los electrones de la zona del emisor que cruzan la UE. Algunos electrones cruzan la UE y pasan por la zona p de la base sin recombinarse.

Figura 2 Polarizacin del transistor.


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Debido a la pila puede que un electrn cruce la barrera de potencial de la UE, despus ese electrn baja la barrera de potencial de la Uc para salir por el colector.

Figura 3 Barrera de potencial en el transistor.

Este es el efecto transistor de N a P tiene que subir la barrera de potencial pero luego es ms de los electrones emitidos por el emisor, aproximadamente un 1 % se recombinan en la base y un 99 % no se recombina y llega al colector, esto es el efecto transistor figura 3. La palabra colector viene de ah, el colector "Colecta" los electrones, los recoge, eso es el "Efecto transistor", la base es muy estrecha y adems est muy poco impurificada, esa es la razn de que la probabilidad de que un electrn se recombine sea muy pequea (por ejemplo el 1%), el emisor emite electrones, el colector los recoge, y la base es un dispositivo de control.

MATERIAL Y EQUIPO EMPLEADO Fuente de alimentacin de CD. variable. Osciloscopio con puntas de medicin. Generador de funciones. Fuente regulada de 0 a 30 V, y Multmetro digital. Resistencias de varios valores a 1/2 W. Un transistor 2N3905. Un transistor 2N3902. Un transistor 2N2222. Un potencimetro de 2500 W a 2W. Cuatro bateras de 1.5V. Porta bateras para AA. Tablilla de experimentacin (protoboard).


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DESARROLLO EXPERIMENTAL EXPERIMENTO 1 IDENTIFICACIN FSICA DEL TRANSISTOR. a) Con el multmetro identifique las terminales y el tipo de transistor de los solicitados en la practica, posteriormente dibuje cada terminal como lo muestra la figura 1.

2N2222

Figura 1. EXPERIMENTO 2 POLARIZACIN DEL TRANSISTOR NPN. a) Construya el circuito que se muestra en la figura 2.

Figura 2

b) Con los valores de voltaje VEE y VCC constante, ajuste el potencimetro R1 con la perilla a su valor mnimo, posteriormente haga incrementos en el orden de 500 ; para cada incremento de R1 mida las corrientes IE e IC, hasta llegar al valor mximo del potencimetro. c) Construya una tabla y grafique los resultados con ejes R1 vs IE y R1 vs IC.M.enC.EngelbertE.LinaresGonzlez 31



EXPERIMENTO 3 POLARIZACIN DEL TRANSISTOR PNP. a) Construya el circuito que se muestra en la figura 3.

Figura 3 b) Con los valores de voltaje VEE y VCC constante, ajuste el potencimetro R1 con la perilla a su valor mnimo, posteriormente haga incrementos en el orden de 500 , a cada incremento mida las corrientes IE e IC, hasta llegar al valor mximo del potencimetro.

c) Ajuste el potencimetro R1 con la perilla a su valor mnimo, obtenga los parmetros de polarizacin de emisor mxima, mida VEB, VCB y VCE, anote sus resultados.d) Retire la fuente V2 y obtenga el valor de ICBO.

EXPERIMENTO 4 TRANSISTOR REGIN CORTE Y SATURACIN a) Construya el circuito de la figura 4. b) Calcule el valor de las resistencias de polarizacin RC y RB.


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Figura 4

c) Con el Multmetro mida el valor del voltaje VBE en los puntos A y B, el valor del voltaje de salida VCE, el voltaje VBC y las corrientes IB e IC. d) Anote sus lecturas y haga sus observaciones.

EXPERIMENTO 5 a) Construye el circuito que se muestra en la figura 5. b) Calcule el valor de las resistencias de polarizacin RC y RB. c) Alimente el circuito con el generador de seales ajustndolo a una onda tipo cuadrada de 3 Hz de frecuencia y un valor de amplitud de 7 volts pico a pico. d) Partiendo de la frecuencia de 3 Hz realice incrementos en el orden de 10 Hz hasta un valor de 100 Hz. e) Con el osciloscopio, para cada incremento de la frecuencia, observe y mida el voltaje de salida colector emisor, observe el comportamiento del LED y explique lo que sucede. f) Con el Multmetro mida los voltajes VBE, Vc y las corrientes IB e IC para cada incremento de frecuencia.


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Figura 5.


CUESTIONARIO 1. Indique en que seccin de las curvas de operacin del transistor se encuentran las zonas de saturacin y de corte. 2. Explique porque en cada una de las curvas de operacin del transistor existe una relacin de voltaje con respecto a la corriente. 3. Indique cuales son los parmetros que se deben considerar para variar la regin de trabajo en un transistor. 4. Explique a que se le denomina corriente de fuga en un transistor. 5. De las corrientes que circulan a travs del transistor, Cul es la mayor, cual es la menor y cuales son relativamente cercanas en magnitud? 6. Explique cual es la utilidad de conocer los puntos de operacin del transistor. 7. Explique en que consiste polarizar correctamente al transistor y mencione cuantas configuraciones de polarizacin se pueden realizar.


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PRACTICA No 5 POLARIZACIN DEL TRANSISTOR

OBJETIVO GENERAL Comprobar experimentalmente el funcionamiento de las distintas configuraciones de polarizacin para transistores BJT. OBJETIVO PARTICULAR Para el circuito de Polarizacin Fija, determinar las respuestas de las variables en la polarizacin del transistor. Para los circuitos de Polarizacin Estabilizada por Divisor y Polarizacin con retroalimentacin determinar las respuestas de las variables para determinar la polarizacin del transistor.

INTRODUCCIN. El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas que consiste de dos capas de material tipo N y una capa tipo P, o bien, de dos capas de material tipo P y una tipo N. al primero se le llama transistor NPN, en tanto que al segundo transistor PNP figura 1. Transistor NPN Transistor PNP

Figura 1 Tipos de transistores Para la polarizacin las terminales que se muestran en la figura anterior se indican mediante las literales E para el emisor, C para el colector y B para la base. La abreviatura BJT, del transistor bipolar de unin (del Ingles, BipolarJunctionTransistor), suele aplicarse a este dispositivo de tres terminales. El trmino bipolar refleja el hecho de que los huecos y los electrones participan en el proceso de inyeccin hacia el material polarizado de forma opuesta. Si slo se utiliza un portador (electrn o hueco), entonces se considera un dispositivo unipolar.


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Configuracin de Base Comn Para la configuracin de base comn con transistores PNP y NPN. La terminologa de la base comn se deriva del hecho de que la base es comn tanto a la entrada como a la salida de la configuracin. A su vez, por lo regular la base es la terminal ms cercana a, o que se encuentra en, el potencial de tierra En la regin activa la unin base - colector se polariza inversamente, mientras que la unin emisor - base se polariza directamente, la regin activa se define mediante los arreglos de polarizacin, en el extremo ms bajo de la regin activa, la corriente del emisor (IE) es cero; esa es la verdadera corriente del colector y se debe a la corriente de saturacin inversa IC0.

Configuracin de Emisor Comn Se le denomina configuracin de emisor comn debido a que el emisor es comn o hace referencia a las terminales tanto de entrada como de salida (en este caso, es comn tanto a la terminal de base como a la de colector). Una vez ms, se necesitan dos conjuntos de caractersticas para describir por completo el comportamiento de la configuracin de emisor comn: uno para el circuito de entrada o base-emisor y otro para el circuito de salida o colector-emisor. En la regin activa de un amplificador de base comn la unin del colector-base se encuentra polarizada inversamente, mientras que la unin base-emisor se encuentra polarizada directamente.

Configuracin de Colector Comn La configuracin de colector comn se utiliza sobre todo para propsitos de acoplamiento de impedancia, debido a que tiene una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, contrariamente a las de las configuraciones de base comn y de un emisor comn.


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MATERIAL Y EQUIPO EMPLEADO Fuente de alimentacin variable de CD. Osciloscopio con puntas de medicin. 3 puntas para osciloscopio. Resistencias de distintos valores. 7 Transistores 2N222. Potencimetros de 5 K, 10 K , y 50 K. Protoboard. Alambres para conexin 2 Multmetros.

DESARROLLO EXPERIMENTAL EXPERIMENTO 1 a) Construya el circuito de polarizacin fija que se muestra en la figura 2.

Figura. 2

b) Calcule los valores de las resistencias de polarizacin RB y RC, de tal manera que el transistor se encuentre operando en la regin activa. c) Calcule tericamente y mida experimentalmente las corrientes Ib e Ic, y el voltaje VCE, compare sus resultados tericos con los experimentales y calcule el porcentaje de error. d) Realice la grfica del punto de trabajo para este experimento.M.enC.EngelbertE.LinaresGonzlez 38



EXPERIMENTO 2 a) Construya el circuito de Polarizacin con divisor de voltaje que se muestra en la figura 3.

Figura. 3

b) Calcule los valores de las resistencias de polarizacin R1, R2, RC Y RB, de tal manera que el transistor se encuentre operando en la regin activa. c) Calcule tericamente el valor de las corrientes de base, colector y emisor, adems el voltaje VcE., d) Con el Multmetro mida en el circuito el valor de las variables calculadas anteriormente, con los valores experimentales compare los resultados tericos y obtenga el porcentaje de error. e) Calcule tericamente el valor de los factores de estabilidad Si, Sv del experimento. f) Muestre en una tabla los resultados obtenidos, as como el clculo del porcentaje de error.

EXPERIMENTO 3 a) Construya el circuito de Polarizacin con Retroalimentacin que se muestra en la figura 4.


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b) Ajuste el potencimetro R1 con la perilla a su valor mnimo, realice incrementos hasta completar cinco lecturas diferentes comprendidas en el intervalo del valor mnimo hasta el valor mximo del potencimetro. c) Utilizando uno de los multmetros, registre la corriente en la base del transistor para cada incremento del potencimetro R1. d) Utilizando el otro multmetro, registre la corriente en el colector del transistor para cada incremento del potencimetro R1. e) Calcule la corriente de base IB y el voltaje entre colector y emisor VcE ; mida estas variables en el circuito y compare sus resultados tericos con los experimentales, calcule el porcentaje de error. f) Calcule el valor de los factores de Estabilidad Si, Sv y Sb.

Figura. 4



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CUESTIONARIO 1. Explique de qu manera se ve afectada la corriente de base en cada una de las polarizaciones desarrolladas en esta prctica. 2. Explique qu es una configuracin estable. 3. Cmo se comprueba que el circuito est polarizado? 4. Cmo se puede obtener el parmetro hfe en forma experimental? 5. Explique la relacin que existe entre la corriente de base y la corriente de emisor y explique cmo se pueden obtener en forma experimental. 6. Dibuje los diagramas de los circuitos de la prctica para configuracin de colector comn y para configuracin de base comn. 7. Explique cmo se comportan los factores de estabilidad SI , Sv , SB, en cada uno de los experimento realizados. 8. Que representa el parmetro BETA en un transistor y cual es el efecto que ejerce la temperatura sobre el transistor. 9. Explique el efecto de la corriente de saturacin inversa.


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PRACTICA No 6 EL TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR DIFERENCIALOBJETIVO GENERAL: Describir el funcionamiento del transistor como amplificador diferencial construido con componentes discretos.

OBJETIVOS PARTICULARES Definir las caractersticas a CD y CA de un amplificador diferencial. Medir las corrientes en un amplificador diferencial. Medir y calcular el voltaje de salida Va de un amplificador diferencial en diferentes condiciones.

INTRODUCCIN CIRCUITO AMPLIFICADOR DIFERENCIAL El circuito amplificador diferencial es una conexin extremadamente comn utilizada en circuitos integrados esta conexin se puede describir al considerar el amplificador diferencial bsico que se muestra en la figura 1.

- vcc

RC

RC

V1

V2

T1 VI 1 -

T2

VI 2 +

+

RE

-VEE

Figura. 1


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Observe que el circuito posee dos entradas separadas, dos salidas separadas y los emisores estn conectados entre si, mientras que la mayora de los circuitos amplificadores diferenciales utilizan dos fuentes de voltaje, el circuito puede operar utilizando solo una de ellas. Es posible obtener un nmero de combinaciones de seales de entrada si una seal de entrada se aplica a cualquier entrada con la otra entrada conectada a tierra, la operacin se denomina " terminal simple'. Si se aplican dos seales de entrada de polaridad opuesta, la operacin se denomina "terminal doble'. Si la misma entrada se aplica a varias entradas, la operacin se denomina " modo comn'. En una operacin de terminal simple, se aplica, una sola seal de entrada. Sin embargo, gracias a la configuracin de emisor comn, la seal de entrada operar en ambos transistores, lo que da como resultado una salida en ambos colectores. En la operacin de terminal doble, se aplican dos seales de entrada, la diferencia de las dos entradas ocasiona las salidas de ambos colectores debido a la diferencia de las seales aplicadas a ambas entradas. En la operacin de modo comn, la seal de entrada comn resulta en seales opuestas en cada colector; estas seales se cancelan de forma que la seal de salida resultante es cero. Como una cuestin prctica las seales opuestas no se cancelan del todo y se obtiene una pequea seal resultante. La principal caracterstica del amplificador diferencial es la ganancia muy alta que se tiene cuando se aplican seales opuestas a las entradas, en comparacin con la ganancia tan pequea que se obtiene de las entradas comunes. La relacin de esta ganancia diferencial a la ganancia comn se denomina rechazo de modo comn.

MATERIAL Y EQUIPO EMPLEADO Un osciloscopio. Un generador de seales 2 Fuente regulada de 0 a 30 VCD. 2 Resistencias de 1 K, 47 K, 10 K y otros valores. 2 Capacitores de 1 F, 470 F, 12 nF. 6 Transistor 2N222. 6 Transistores BC547 o BC548. 1 Transformador de 127 VCA a 12 VCA a 500mA con derivacin central. 2 Potencimetros de 10 K y 50 K. Protoboard Multmetro. Un juego de cables para conexin. Tres puntas para osciloscopio.


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DESARROLLO EXPERIMENTAL EXPERIMENTO 1 IDENTIFICACIN DEL TRANSISTOR. a) Seleccione CUATRO pares de transistores, con el Multmetro mida su beta (hfe) y reportar en la siguiente tabla. Tabla 1. Valores experimentales y tericos de las betas de los transistores. TRANSISTOR TIPO NUMERO FABRICANTE VALOR hfe

EXPERIMENTO 2: MODO DIFERENCIAL EN CD. a) Construya el circuito mostrado en la figura 2, utilizando 2 transistores con una beta similar, considere valores de Rc1 = Rc 2 = RE = 12 k+ vcc=15V

+

Vo IE2

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