Electrónica Informe - Características De Los Transistores BJT
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Universidad Pedagógica Y Tecnológica De Colombia
Seccional Duitama ELECTRÓNICA I
Escuela De Ingeniería Electromecánica
LABORATORIO No. 3
CARACTERÍSTICAS DE LOS TRANSISTORES BJT:AMPLIFICACIÓN Y CONMUTACIÓN.
JASSON RICARDO DÍAZ LEON
RICARDO ALONSO ESTEPA ESTUPIÑAN
RESUMEN: Una de las aplicaciones
principales de los transistores es la
amplificación de una señal tanto en corriente
directa como en alterna y la conmutación de
circuitos.
En el laboratorio se pretende conocer las
características principales de los transistores
BJT, además analizar su funcionamiento a
través de una plataforma robótica diferencial
y un amplificador por divisor de voltaje.
Se inicia haciendo el montaje de la
plataforma en el protoboard. El control de los
motores se hace usando transistores NPN y
PNP, los cuales pueden actuar como
circuitos abiertos o cortos circuitos según el
sentido de giro que se desee para cada
motor. La implementación de diodos, nos
permite además, el control de los dos
motores simultáneamente.
Para el amplificador, es necesario el cálculo
de las resistencias propias del circuito.
Primero de hace un análisis del circuito en
C.C, teniendo así un circuito equivalente en
C.C. Luego se analiza el circuito en C.A,
obteniendo así un circuito equivalente en
C.A. De las ecuaciones que se obtengan de
cada circuito equivalente, se calculan
entonces las resistencias que satisfagan la
condición de ganancia en voltaje (-15)
INTRODUCCIÓN: El transistor de unión
bipolar, o BJT por sus siglas en inglés, se
fabrica básicamente sobre un monocristal de
Germanio, Silicio o Arseniuro de galio, que
tienen cualidades de semiconductores,
estado intermedio entre conductores como
los metales y los aislantes como el diamante.
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Sobre el sustrato de cristal, se contaminan en
forma muy controlada tres zonas, dos de las
cuales son del mismo tipo, NPN o PNP,
quedando formadas dos uniones NP. En
forma equivalente los transistores BJT se
pueden entender como un Fuente de
corriente (salida) controlada por corriente
(entrada).
TALLER PREVIO
1. ¿Cuál es la característica que hace que el
montaje EC (emisor común) sea más
utilizado en amplificación que el
amplificador BC (base común)?
La terminología de la base común se derivadel hecho que la base es común tanto a la
entrada como a la salida de la configuración
A pesar de que las condiciones de base
común son muy similares a las de emisor
común, es esta, la que se puede emplear
para amplificar voltaje, corriente o potencia.
Debido a que la región de corte de la
configuración emisor común no esta tan bien
definida como la configuración base común.El BJT PNP desde el emisor emite huecos,
controlada por la base. El exceso de huecos
que no pueden recombinarse en la base van
parar al colector.
2. ¿En qué consiste la acción amplificadora
del transistor?
Después que un transistor se haya
polarizado con un punto de operación cerca
de la mitad de la línea de carga, se puede
acoplar una pequeña señal de C.A en la
base. Esto produce alteraciones o
fluctuaciones de igual forma y frecuencia en
la corriente de colector. Por ejemplo, si la
entrada es una onda senoidal con una
frecuencia de 1 kHz, la salida será una ondasenoidal amplificada con una frecuencia de 1
kHz. El amplificador se llama lineal si no
cambia la forma de la señal. Si la amplitud
de la señal es pequeña, el transistor sólo
usará una pequeña parte de la línea de carga
y la operación será lineal. Si la señal de
entrada es demasiado grande, las
fluctuaciones en la línea de carga excitarán al
transistor a saturación y corte. Esto cortarálos picos de una onda senoidal y el
amplificador ya no será lineal con lo que la
señal se distorsiona grandemente.
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3. ¿Cuál es la región activa del transistor?
Cuando un transistor no está ni en su región
de saturación ni en la región de corte
entonces está en una región intermedia, la
región activa. En esta región la corriente de
colector (Ic) depende principalmente de la
corriente de base (Ib), de β (ganancia de
corriente) y de las resistencias que se
encuentren conectadas en el colector y
emisor. Esta región es la más importante si lo
que se desea es utilizar el transistor como un
amplificador de señal.
4. ¿Cuál es la finalidad de la recta de carga?
La recta de carga es una herramienta que se
emplea para hallar el valor de la corriente y la
tensión del diodo. Las rectas de carga son
especialmente útiles para los transistores.
Hemos de conocer el comportamiento del
transistor trabajando con una determinada
resistencia de carga y averiguar el punto de
funcionamiento del mismo.
Para ello, trazamos la recta de carga del
transistor en las curvas de colector para
poder determinar los puntos de
funcionamiento.
Para determinar la corriente que circula por el
colector (emisor común), podemos aplicar la
ley de Ohm entre los extremos de la
resistencia de carga RL. La tensión aplicada
a esta resistencia se corresponderá con la
tensión total aplicada por la fuente VCC
menos la caída de tensión que se produce
entre el colector y el emisor VCE. De estaforma obtendremos la siguiente expresión,
que se corresponderá con la ecuación de la
recta de carga:
Para dibujar esta recta sobre la curva
característica, lo primero que hay que hacer
es encontrar sus extremos (IC=0 y VCE=0).
Para VCE=0
Para IC=0
Llevando estos valores a la curva
característica de colector, obtendremos la
recta de carga para una determinada
resistencia de carga RL y una fuente VCC.
A lo largo de esta recta se pueden distinguir
tres partes fundamentales: puntos de corte,
punto de saturación, punto de trabajo.Para calcular la recta de carga debemos usar
la ecuación de la recta:
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Si de la ecuación de la malla, despejamos la
intensidad tenemos la ecuación de una recta,
que en forma de gráfica sería:
El punto de corte de la recta de carga con la
exponencial es la solución, el punto Q, es el
punto de trabajo. Este punto Q se controla
variando VS y RS.
Al punto de corte con el eje X se le llama
corte y al punto de corte con el eje Y se le
llama saturación.
5. ¿Qué datos son necesarios para trazar
una recta de carga?
Dado el comportamiento lineal podemos
obtener la curva con solo dos puntos, uno se
halla cuando fijamos un corto entre colector y
emisor de manera que VCE = 0 e IC será
entonces Ic=Vcc /Rc es decir la corriente
máxima o de saturación, el otro punto se
obtiene haciendo Ic=0, lo que significa que
eliminamos el transistor quedando VCC = VCE,
el cual se conoce como tensión de corte.
6. ¿Cómo se determina el punto de trabajo
para un amplificador?
El punto de trabajo es un punto que
demuestra la sensibilidad de VEC a los
cambios en la ganancia, se ubica en la zona
activa y pertenece a la recta de carga, de
manera que se define a partir de valores de
IC y VEC.
7. ¿Es o no, indispensable el condensador
de paso o acople? Explique.
Dada la naturaleza de la impedancia
capacitiva el comportamiento delcondensador depende de la frecuencia; a
frecuencias bajas la impedancia es lo
suficientemente alta o infinita como para
evitar el paso de la corriente de manera que
se comporta como un interruptor abierto; a
frecuencias altas la impedancia es muy baja
de manera que hay libre paso a la corriente
equivalente a un interruptor cerrado, de
manera que el condensador es indispensableen un circuito para el que se quiera un
comportamiento distinto en función de la
frecuencia.
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8. ¿Qué es un cuadripolo?
Se llama cuadripolo a un circuito eléctrico
con dos puertos, o dos pares de patas,considerada como una caja negra y
caracterizada por una serie de parámetros,
relacionados con las impedancias que
presenta en cada una de las puertas y con
su función de transferencia.
El cuadripolo es un modelo muy potente para
caracterizar componentes o secciones de
circuitos (amplificadores, filtros, etc.), demodo que no hace falta descender hasta el
nivel de componente a la hora de analizar
una red grande.
La puerta de la izquierda se considera la
entrada y sus magnitudes asociadas (V e I)
llevan el subíndice 1. La salida se representa
a la derecha y sus magnitudes asociadas se
indican por el subíndice 2.
9. ¿Qué son los parámetros híbridos y paraqué sirven?
Los parámetros híbridos son parámetros
de electrónica utilizados para la
caracterización de cuadripolos. Engloban a
los parámetros de impedancia y a los
de admitancia, de ahí su nombre de
"híbridos".
Los parámetros h11, h12, h21 y
h22 representan, respectivamente, la
impedancia de entrada en cortocircuito, la
ganancia inversa de voltaje en circuito
abierto, la ganancia directa de corriente en
cortocircuito y la admitancia de salida en
circuito abierto.
Los parámetros híbridos definen la ganancia
de corriente de un circuito, como la relación
entre la intensidad de salida e intensidad de
entrada.
10.¿Qué es ancho de banda de un sistema?
Hay una frecuencia que es la que aporta
mayor potencia al sistema; esta frecuencia se
suele denominar frecuencia de resonancia
(cuando sintoniza una emisora en su radio, la
frecuencia es la correspondiente a la
emisora) a frecuencias superiores e inferiores
a ésta la potencia disminuye, se suele
denominar frecuencia de corte inferior a la
frecuencia a la que se ha perdido 3 dB de
potencia (la mitad de la potencia) en
frecuencias inferiores a la de resonancia, y
frecuencia de corte superior a la frecuencia a
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la que se ha perdido 3 dB de potencia en
frecuencias superiores a la máxima.
El rango que va desde la frecuencia de corteinferior a la frecuencia de corte superior se le
llama ancho de banda del sistema. Por
ejemplo si la frecuencia de corte inferior es
de 4 KHz y la frecuencia de corte superior es
de 15 KHz, el ancho de banda del sistema es
de 11 KHz.
11. ¿Para qué sirve la función de ganancia en dBdel generador de señales? ¿Cómo se
implementa?
La función de ganancia representa los
efectos que tiene la frecuencia en la
ganancia de el circuito, generalmente tiene
valores muy grandes tanto que el
comportamiento no es fácilmente notorio en
una grafica a escala, por tal razón se acude ala escala logarítmica definida con 20*log*(F
(f)), en la cual el comportamiento de la
función se hace notorio facilitando su
análisis.
CIRCUITO DE CONTROL PARA UNA
PLATAFORMA ROBÓTICA DIFERENCIAL
Figura 1 Puente H Para Control De Motor
Figura 2 Circuito Puente H Para Control De Motor
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Figura 3 Montaje Del Control
Figura 4 Montaje Del Control
Figura 5 Montaje Final Del Control
Figura 6 Montaje De La Tracción
Figura 7 Montaje Del Chasis
Figura 8 Montaje Final Del Chasis
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El uso de la tracción delantera se debe
primordialmente a que el peso el peso de los
motores mejora notoriamente la
maniobrabilidad, siendo este nuestro mayorfactor de interés.
Aunque el uso de este sistema de tracción
tiene sus desventajas a altas velocidades, no
es de relevancia en nuestro caso, ya que
nuestro auto no alcanzara dichas
velocidades.
Los valores de resistencia usados en laplataforma no son valores fijos, las únicas
condiciones que deben satisfacer son:
Que limiten la corriente de base para
proteger el transistor, pero que aun así la
corriente sea suficiente para hacer que
VCE=0.
Garantizar que el transistor este en lazona de saturación, es decir se comporte
como un corto circuito.
DISEÑO DE UN AMPLIFICADOR EC
POLARIZADO POR DIVISOR DE TENSIÓN
Para tener en cuenta la influencia de
frecuencia se deben utilizar modelos de
transistor más elaborados. Es muy frecuente
usar el modelo en pi.
CÁLCULO DE LAS RESISTENCIAS
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
Reemplazando (5) en (4):
(6)
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Reemplazando (1) en (6):
Asignando valores para que satisfagan la
igualdad, tenemos:
Reemplazando valores en (1)
Ahora reemplazamos (2) en (3)
Con la simulación de la red, podemos
corroborar valores de corriente y voltaje
calculados con los simulados en PROTEUS.
El voltaje , y la corrientese comparan con los
simulados, siendo correctos para ambos
casos.
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Figura 9 Amplificador EC Polarizado Por Divisor De Tensión
Figura 10 Señal De Entrada Vi=100mV
a)Conecte el circuito con las resistenciasadecuadas según su diseño y Q1 un
transistor 2N2222. Compruebe con el
osciloscopio que la ganancia es la
definida en el numeral anterior, con Vin
obtenida por el generador de señales con
una onda sinusoidal de mínima amplitud y
f=1KHz. Conecte y visualice
simultáneamente las señales V in y Vo
(voltaje sobre RL) por los dos canalessimultáneamente. Analice las formas de
onda: ¿Hay desfase entre ellas?
Figura 11 VO Cuando Vi=1mV, f=1KHz
Cada divisor de tensión formado por una
resistencia y un capacitor, desfasa a cada
una de las frecuencias que la atraviesan, un
ángulo distinto de 0º a 180º. Por tanto, la
onda de salida se atrasa con respecto a la deentrada, un ángulo de casi 180°.
b) Aumente la amplitud de la señal Vin, que
sucede con Vo?
Figura 12 VO Cuando Vi=2mV, f=1KHz
Figura 13 VO Cuando Vi=5mV, f=1KHz
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Figura 14 VO Cuando Vi=2V, f=1KHz
Cuando una onda sinusoidal de mínima
amplitud a la base del transistor, en el
colector se tiene la misma señal que en la
base, pero con una amplitud mayor.
c) Disminuya nuevamente la amplitud de Vin,
pero aumente su frecuencia, ¿qué sucede
con Vo?, ¿cuál es el ancho de banda se
su circuito?
Figura 15 VO Cuando Vi=1mV, f=100KHz
Figura 16 VO Cuando Vi=1mV, f=1MHz
Figura 17 VO Cuando Vi=1mV, f=100MHz
Si en la entrada, presentamos ondas de
distintas frecuencias, para cada frecuencia
habrá un desfase diferente.
Figura 18 Ancho De Banda
A medida que aumentamos el valor de lafrecuencia la red pierde su poder de
amplificación. Según lo observado, el ancho
de banda de nuestra red es de 100MHz.
d) Disminuya nuevamente la amplitud de Vin
y defina f=1KHz. Retire del circuito el
condensador de desacoplo de 100μF.
¿Qué sucede con Vo?
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Figura 19 VO Cuando Vi=1mV, f=1KHz
Figura 20 VO Cuando Vi=2V, f=1KHz
Figura 21 VO Cuando Vi=1mV, f=100KHz
Figura 22 VO Cuando Vi=1mV, f=200MHz
Figura 23 VO Cuando Vi=500mV, f=100MHz
Entre la salida y la entrada sólo hayatenuación, permaneciendo en fase la ondade salida con respecto a la de entrada.
Condensador de acoplo: Un condensador
de acoplo transmite una señal de alterna de
un nudo a otro del circuito. La figura 24
muestra un condensador de acoplo. El
condensador debe comportarse como un
cortocircuito para alterna, a la frecuencia más
baja que pueda tener el generador, es decir,
si se tiene un generador que varia entre 100
Hz y 10 KHz, el condensador tiene que ser
un cortocircuito para la frecuencia de 100 Hz.
Figura 24 Condensador De Acoplo
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Condensador de desacoplo: La figura 25
representa un condensador de desacoplo. Lo
que se consigue con este montaje es que la
corriente alterna no pase por la resistencia.Como el condensador es un cortocircuito
para altas frecuencias la corriente alterna
fluye por él y se deriva a tierra.
Figura 25 Condensador De Desacoplo
e) Disminuya nuevamente la amplitud de Vin,
pero aumente las capacitancias, ¿qué
sucede con Vo?
Figura 26 VO Cuando C1=10 μF, C2=10 μF, C3=9 mF
Figura 27 VO Cuando C1=10 μF, C2=10 μF, C3=1 F
Figura 28 VO Cuando C1=100 μF, C2=100 μF, C3=1 mF
Figura 29 VO Cuando C1=100 μF, C2=100 μF, C3=9mF
Si dejamos fijos las 3 resistencias y variamos
los 3 condensadores a la vez, tendremos por
cada valor de capacitancia una frecuencia
distinta.
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CONCLUSIONES
Para la ganancia de voltaje el signo
menos se usa para indicar la inversión defase. En otras palabras, en el semiciclo
positivo del voltaje de entrada aumenta la
corriente de colector, produciendo el
semiciclo negativo del voltaje de salida.
En el circuito equivalente de C.A se
pueden poner en corto todos los
condensadores porque para la corrientealterna actúan como cortocircuitos en un
amplificador bien diseñado.
Si la señal de entrada es demasiado
grande, las fluctuaciones en la línea de
carga excitarán al transistor a saturación y
corte. Este corta los picos de la onda
senoidal.
Si la señal de entrada es una pequeña
señal de C.A en la base, produce
alternancias o fluctuaciones de igual
forma y frecuencia en la corriente de
colector pero amplificada.
Cuanto menos corriente consuma el
amplificador de la fuente, será mejor. Laimpedancia de entrada de un amplificador
determina la cantidad de corriente que
toma el amplificador de la fuente de C.A.
Si alimentamos en la entrada con una
onda senoidal de frecuencia constante y
variamos el valor de las resistencias
controlamos el ángulo de desfase.
Debido a que un transistor real, β varia
con la temperatura de manera que en el
cálculo del divisor de tensión se usa un
valor aproximado según el diseño.