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Tercer Informe Laboratorio Electrnica Anloga IICaractersticas del Transistor BJT.

Eliana Mejia Estrada. c.c. 1036648130 Universidad Nacional de ColombiaDepartamento de Energa Elctrica y AutomticaMedelln, Colombiaelmejiaes@unal.edu.coCarlos Alberto Arbelez Giraldo. c.c. 1017212109Universidad Nacional de ColombiaDepartamento de Energa Elctrica y AutomticaMedelln, Colombiacaarbelaezg@unal.edu.co

Resumen---este documento es el resultado del anlisis y experimentacin con el dispositivo semiconductor transistor BJT. En la prctica hicimos algunas graficas de las curvas caractersticas del dispositivo, tambin hicimos un anlisis de las corrientes en sus terminales y una aplicacin con el dispositivo.

Palabras clave---BJT, corriente, anlisis, semiconductor

Abstract this document is the result of analysis and experimentation with BJT transistor semiconductor device. In the practice we made some plots of the characteristic curves of this device, too we did an analysis of the currents at its terminals and an application with the device.

KeywordsBJT, current, analysis, semiconductor.Introduccin El transistor es un dispositivo electrnico semiconductor, utilizado para entregar una seal de salida, ante una seal de entrada, cumple las funciones de oscilador, conmutador o rectificador. El trmino transistor quiere decir Resistencia de transferencia. Fue inventado en los laboratorios Bell de USA en 1947. Su invencin fue meritoria del premio nobel de fsica en 1956 ya que con l se sustituy la vlvula termoinica de tres electrodos, o trodo. [1]Un transistor de unin bipolar (BJT) es un dispositivo electrnico de estado slido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre s, que permite controlar el paso de la corriente a travs de sus terminales [2].

Figura 1 Transistor de unin bipolarLa operacin de un transistor de unin BJT se divide en tres zonas o regiones: Regin de corte: En esta regin el transistor est desactivado, pues no hay conduccin de corriente. Esto ocasiona que haya una gran cada de potencial entre las terminales C y E que componen el puerto o malla de salida. Regin de saturacin: En esta regin existe conduccin de corriente, es una zona con bajo consumo de potencia, pues la cada de voltaje provocada por el dispositivo es muy pequea. La magnitud de la corriente IC depende exclusivamente del circuito externo. Regin Activa: En esta regin es donde opera normalmente el transistor pues es donde las aplicaciones de amplificacin tiene lugar.

anlisis tericoPolarizacin del BJT

Para el anlisis de polarizacin del BJT se tiene en cuenta los puntos de operacin e las variables, tanto para la malla de entrada como para la malla de salida, como la configuracin a usar es de emisor comn con tipo PNP se tiene en la siguiente figura la direccin de las corrientes y los voltajes:

Figura 2 Configuracin emisor comn BJT

Donde se obtienen las siguientes ecuaciones para determinar el comportamiento del punto de operacin:

A partir de estas relaciones, que adems son lineales se puede determinar la corriente de base en el punto de operacin, adems conocida esta ltima IBQ , se puede hallar en la malla de salida el parmetro de inters que es la corriente de colector ICQ con la relacin: ICQ =IBQ.Eleccin del Transistor

Debido a la suma de dgitos (9), se toma como transistor el 2n3904 y el rel de 12V Tabla 1Eleccin del transistor

Clculos tericos

Tabla 2 Datos de simulacin del transistor 2n3904Corriente Base Corriente Colector Corriente Emisor Ganancia de Corriente

100uA16,664mA16,76mA166,64

200uA31,034mA31,234mA155,17

300uA43,382mA43,682mA144,61

400uA54,353mA54,753mA135,88

500uA64,336mA64,836mA128,67

De acuerdo al transistor asignado (2n3904), se deben cumplir dos condiciones para que el circuito funcione correctamente, una condicin de voltaje nominal del rel y una condicin de corriente de entrada por la base:

El valor de esta determinado por el voltaje del inductor propio del rel, el cual para el caso del transistor 2n3904 corresponde a Con el voltaje nominal y la resistencia equivalente de la bobina del rel, es posible establecer la corriente de conduccin de la misma de la siguiente manera:

Para encontrar la corriente de base con el valor obtenido anteriormente de y teniendo en cuenta las curvas trazadas del transistor escogido, podemos aproximar ; y por ende, el valor de

A continuacin debemos calcular el valor de sumimos , para esto, asumiremos , ya que, este voltaje es un voltaje tpico estndar para estos dispositivos.

datos de simulacinPara el desarrollo terico de esta prctica fue necesario realizar la simulacin de las curvas caractersticas del transistor asignado, es decir, el transistor 2n3904 las cuales se presentan a continuacin mediante las siguientes lneas de cdigo:

Figura 3 Cdigo simulacin de curvas caractersticas

Figura 4 Curvas Caractersticas 2n3904anlisis experimentoLa sesin de laboratorio se dividi en dos etapas, la primera correspondi al trazado de curvas caractersticas del transistor BJT y la posterior aplicacin con el diodo rectificador que corresponde a la conmutacin de un circuito para el encendido y apagado de una bombilla.Trazado de curvas caracteristicasPara el trazado de curvas caractersticas, se hizo el montaje de la figura 1. En el cual se implement como Rb una resistencia de 10k para obtener los valores deseados de corriente variando el voltaje de entrada entre 1V y 5V, el siguiente es el esquema del circuito que se realiz:

Figura 5 Montaje experimental curvas del transistor 2n3904Con el cual se complet la siguiente tabla, en la cual se calcularon las corrientes caractersticas de los terminales y la ganancia de corriente entre base y colector.En la prctica se realizaron las medidas de las resistencias y se obtuvieron los siguientes valores:Rb=10,03kRe= 10,5

Tabla 3 Reporte de datos de curvas caractersticas.VRbIbIc

1,1 V109,67A16,66mA

1,981V197,5A25mA

3,04V303,091A

8,98V396,81A

4,99V497,51A

Se muestra a continuacin el trazado de las curvas caractersticas, donde se muestran las regiones caractersticas del transistor BJT, saturacin, corte y regin lineal.

Figura 6 curvas caractersticas BJT

Aplicacin prctica del BJTLa aplicacin consista en la conmutacin de una bombilla mediante el acople del transistor BJT y un rel, en este montaje se realizaron dos anlisis, el primero de ellos mediante el valor de las fuentes calculadas V2=12V y V1=5V; posteriormente se cambio la fuente V1 por un generador de onda cuadrada con voltaje en alto de 5V y una frecuencia inicial de 10HzEl montaje se muestra en el siguiente esquema:

Figura 7 Montaje aplicacin prctica BJTPosteriormente se verificaron las medidas tericas calculadas en el pre-informe midiendo con el multmetro y haciendo uso de la ley de ohm como se muestra a continuacin:

Vbe es el voltaje correspondiente a la cada de voltaje dada por los diodos del transistor, la cual es tericamente 0,7; sin embargo en la prctica se obtuvo Vbe= 0,745V

Luego, se verifican los valores de las corrientes en cada uno de los terminales del transistor, primero que todo se encuentran Ib e Ic de manera indirecta haciendo uso de la ley de ohm sobre la resistencia Rb y sobre la bobina obteniendo los siguientes valores:

Tabla 4 Datos obtenidos usando BJTVoltajeResistenciaCorriente

Vrb=4,26VRb=20,23kIb=210,578A

Vlc=10,8VRl=0,448kIc=24,107mA

A partir de los valores anteriormente consignados se obtiene el valor de Ie mediante la expresin:

De all se obtiene el valor de la ganancia DC dada por:

Esta configuracin generaba un efecto de parpadeo en la bombilla, donde el transistor tena como funcin de elevar o disminuir la corriente para que el Rel se activara o desactivara con cierta frecuencia.

Si se incrementaba la frecuencia de la seal producida por el generador la bombilla parpadeaba a una mayor velocidad, mientras que tambin se contemplaba el cambio de estado en el rel a una velocidad parecida. El parpadeo de la bombilla dejo de ser notable al alcanzar una frecuencia de 15Hz de la seal ingresada.

Finalmente encontramos que el transistor conmuta ms rpido de que el rel. Esto debido a que al aumentar la frecuencia el transistor responda, pero el rel no perciba el cambio por la velocidad de conmutacin, por lo cual no cambiaba de estado.Anlisis de errorLas curvas caractersticas de 2n3904 obtenidas experimentalmente son diferente a las de la simulacin, debido a que no son muy precisas las corrientes de base respecto a las cuales se trabajaron, dada la dificultad para garantizar voltajes exactos con potencimetros no lineales como los que se disponen en la mesa; adems de que lo elementos circuitales del montaje son un poco diferentes, por lo tanto pueden considerarse como no comparables.

conclusionesSe puede ver que para aplicaciones conmutadas por dispositivos electromecnicos tales como el rel la frecuencia de conmutacin en un tren de pulsos, para energizar en este caso una bombilla puede llegar a ser tan alta que, la pata normalmente abierta del rel se convierta en una normalmente cerrada y la bombilla pueda apreciarse encendida todo el tiempo.A partir de una resistencia variable, tal como un trimer se puede controlar flujo de corriente a la salida y la entrada de la seal, dependiendo de la configuracin que se tenga, por ejemplo, controlar la corriente que requiere un Motor DC. Para el caso del laboratorio la configuracin fue de emisor comn. El mtodo experimental para hallar la curva caracterstica del transistor puede ser muy til para el manejo de puntos de operacin del transistor.

Un transistor es mucho ms eficaz que un rel pues est en la capacidad de conmutar a mayor velocidad que este, dando posibilidad de tener menor tiempo de respuesta.

bibliografa

[1] Wikipedia, Transistor. 30/03/2014.URL: http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_ [2] Wikipedia, Transistor de Unin Bipolar. 30/03/2014.URL: http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor_de_uni%C3%B3n_bipolar