EL TRANSISTOR EN CONMUTACIÓN

Volodymyr SmolyakArquímedes Rojas Gutiérrez

23 de abril de 2013

Objetivos! 3

Introducción. Fundamento Teórico! 3

Esquema eléctrico! 4

Material utilizado! 4

Desarrollo de la practica! 5

Trabajo personal! 9

Conclusión! 12

Apéndice! 12

EL  TRANSISTOR  EN  CONMUTACIÓN

O B J E T I V O S

Presentar  un  estado  del  transistor  en  el  que  trabaja  en  uno  de  los  dos  extremos  de  la  recta  de  carga,  el  punto  de  corte  o   el   punto   de   saturación,   descartandose   los   infinitos   puntos   de   trabajo   que   define   dicha   recta   de   carga.   Los  transistores  empleados  en  los  disposiHvos  digitales  trabajan  en  estado  de  conmutación,  bloqueados  o  conduciendo.

I N T R O D U C C I Ó N . F U N D A M E N T O T E Ó R I C O

La   caracterísHca   principal   de   un   transistor   proviene   de   su   principio   de   funcionamiento.   Al   variar   ligeramente   una  pequeña   intensidad   de   entrada   por   la  base   (lB),  se   obHene   una   notable   variación   de   la  corriente  de   salida   por   el  colector  (lC).  Esto  se  conoce  como  el  efecto  de  amplificación  de  un  transistor.  La  figura  5.1  muestra  el  esquema  básico  de  polarización  de  un  transistor  NPN  en  configuración  de  emisor  común.  Se  aprecia  una  intensidad  de  entrada  a  través  de  una  resistencia  de  base  RB  y  una  intensidad  de  salida  a  través  de  una  resistencia  de  carga  Rc.

Figura  5.1  Polarización  básica  de  un  transistor  NPN.

Al   aplicar   una  tensión   directa  +VB   el   diodo  base-­‐emisor   queda  directamente  polarizado.  Toda  la   corriente   sale  del  emisor   (lE).  Una   pequeña  parte   va   por   la   base   (lB)   y  el   resto   circula   por   el   colector   (Ic).   Variaciones   ligeras   de   lB  provocan  notables  variaciones  en  lC.

El   transistor   bipolar  es  un  disposiHvo   semiconductor   que  permite  el  control  y  la  regulación  de  una  corriente  grande  mediante  una  señal  muy  pequeña.  El  uso  del  transistor  en   las  zonas  de  corte  y  saturación  permiten  que  éste  funcione  como  un  interruptor  para  acHvar  o  desacHvar  alguna  carga.  

Zonas  de  Operación  del  transistor  

CORTE.-­‐  No  circula  intensidad  por   la  Base,  por   lo  que,  la  intensidad  de  Colector  y  Emisor  también  es  nula.  La  tensión  entre  Colector   y  Emisor   es   la  de   la  batería.  El   transistor   entre   Colector   y  Emisor   se   comporta  como   un   interruptor  abierto.  

IB  =  I

C  =  I

E  =  0;  V

CE  =  V

CC  

SATURACION.-­‐   Cuando   por   la   Base   circula   una   intensidad,   se   aprecia   un   incremento   de   la   corriente   de   colector  considerable.  En  este   caso  el   transistor   entre  Colector   y  Emisor   se  comporta  como   un   interruptor  cerrado.  De   esta  forma,  se  puede  decir  que  la  tensión  de  la  batería  se  encuentra  en  la  carga  conectada  en  el  Colector.  

↑  IB  ⇒↑  I

C;  Vcc  =  R

C  x  I

C.  

ACTIVA.-­‐  Actúa  como  amplificador.  Puede  dejar  pasar  más  o  menos  corriente.  

Cuando  trabaja  en  la  zona  de  corte  y  la  de  saturación  se  dice  que  trabaja  en  conmutación.  En  definiHva,  como  si  fuera  un  interruptor.  

E S Q U E M A E L É C T R I C O

Figura  5.2  Transistor  en  conmutación.

M A T E R I A L U T I L I Z A D O

MulHmetroResistencias  de  47k,  68k,  390  y  470  Ohm,  Transistores:  BC547Cables  DCEntrenador  –  Cadet  Masterlab

D E S A R R O L L O D E L A P R A C T I C A

Se  nos  pide  estudiar  el  funcionamiento  del  circuito  (figura  5.2).1.-­‐  En  el  caso  de  conectar  la  resistencia  de  base  a  la  Herra,  no  tenemos  flujo  de  corriente  a  través  de  la  base,  es  igual  a  0,  entonces  no   tendremos  ninguna  corriente  en  el   colector,  no  habrá  ninguna  caída  de   tensión   en   la  resistencia  del  colector  y  toda   la  tensión   de  la  fuente  estará  entre  colector  y  emisor,  Vce=Vcc.  TeoréHcamente  el   transistor  está  en  corte.  Rellenamos  la  tabla...  con  valores  teóricos.  Montamos  el  circuito  y  realizamos  mediciones  pracHcas:

Para  dibujar  la  recta  de  carga  en  el  plano  (VCE,  IC)  del  transistor  se  seleccionan  dos  puntos:  a)  Vce=0,  entonces  Ic=Vcc/Rc,  Ic=19mA,;  b)  Ic=0,  entonces  Vce=Vcc,  Vce=9V,  figura  5.4,  con  el  punto  azul  se  señala  el  punto  Q  de  trabajo  del  transistor  sin  polarización.  

Figura  5.3  En  el  dibujo  a  la  izquierda  vemos  el  circuito  montado  y  a  la  derecha  realización  de  las  medidas,  en  todos  los  casos  recibimos  valor  0,  excepto  Vce  que  es  igual  a  9V.

Figura  5.4  Determinación  del  punto  de  trabajo  del  transistor.  Como  podemos  ver  el  transistor  se  encuentra  en  corte.

Rellenamos  la  tabla  con  valores  prácHcos.

Parámetro Teórico PrácHco

Ic 0uA 0uA

Ib 0uA 0uA

Vbe 0V 0V

Vce 9V 9V

Vrb 0V 0V

Vrc 0V 0V

Tabla  5.1  Transistor  sin  polarización.

Como  podemos  observar  los  valores  teóricos  y  prácHcos  coinciden.

2.-­‐  Ahora  se  nos  pide  conectar   la  base  con  +5Vcc   y  realizar   las  mismas  medidas  y  cálculos  teoréHcos.  En  la  figura  5.5  aparece  la  curva  de  relación  entre  Vce  y  Ib  para  el  transistor  BC547    sacada  del  datasheet.  En  este  caso  el  transistor  se  comporta  como  un  interruptor  cerrado,  entonces  el  transistor  estará  en  zona  de  saturación  y  la  tensión  entre  colector  y  emisor  Vce  será  próxima  a  cero,  para  poder  evaluar  mejor  esta  tensión  usaremos  el  gráfico.  Calculamos  la  corriente  de  base:

Ib=91,5uA

Figura  5.5  La  curva  de  relación  entre  Vce  y  Ib  para  transistor  BC547.

En  la  gráfica  vemos  que  Vce=0,4V.

Usaremos  las  siguientes  formulas  para  calcular  los  valores  restantes,  es  fácil  deducirlas  de  las  Leyes  de  Kirchhoff:

IB =VRB − 0,7

RB

VRB = IBRB

.

Rellenamos  la  tabla  con  valores  teóricos

Parámetro Teórico PrácHco

Ic 18mA 17,59mA

Ib 91,5uA 87,23uA

Vbe 0,7V 0,72V

Vce 0,4V 0,43V

Vrb 4,3V 4,1V

Vrc 8,6V 8,27

Tabla  5.2  Transistor  polarizado.

Ahora  realizaremos  las  medidas  prácHcas  en  el  circuito.  Con  el  mulHmetro  medimos  la  ganancia  del   transistor  BC547,  figura  5.7  y  vemos  que  es  igual  a  270.  Una  vez  medidas  las  tensiones,  usaremos  las  siguientes  formulas  para  calcular  Ic  e  Ib  pracHcas:

VRC = ICRC

IC = Vcc −VceRcc

Figura  5.6  Determinación  del  punto  de  trabajo  del  transistor.Como  podemos  ver  el  transistor  se  encuentra  en  saturación.

IC = VRCRC

Como  podemos  ver  en  la  tabla  5.2  los  resultados  prácHcos  son  muy  parecidos  a  los  teóricos.

IB =VRBRB

Figura  5.7  HFe  del  transistor  BC547. Figura  5.8  Midiendo  VRB  del  transistor  BC547.

Figura  5.9  Midiendo  VRC  del  transistor  BC547. Figura  5.10    Midiendo  VCE  del  transistor  BC547.

T R A B A J O P E R S O N A L

Se  nos  pide  diseñar  un  circuito  con  transistor    que  gobierna  un  diodo  LED,  como  en  la  figura  5.11,  calcular  Rb  y  Rc  para  la  corriente  de  consumo  de  20mA    considerando  la  caída  de  tensión  en  el  LED  ánodo-­‐cátodo  de  1,5V.

Primero  realizaremos  los  cálculos  teóricos.  Sabiendo  la  ganancia  del  transistor  disponible  es  270,  calculamos  mediante  la  siguiente  formula  la  corriente  de  base  necesaria  para  conseguir  que  a  través  de  la  resistencia  del  colector  fluyan  20  mA:

Ib  =  74,07uA

Ahora  determinamos  la  resistencia  de  polarización  de  base  necesaria:

   En   la   figura   5.12   aparece   la   curva   de   relación   entre   Vce   y   Ib   para   el   transistor   BC547   sacado   del   datasheet.  Supongamos  que  el  circuito  en  este  caso  se  comporta  como  un  interruptor  cerrado,  entonces  el  transistor  estará  cerca  de   zona  de   saturación  y   la  tensión  entre   colector   y  emisor   Vce  será  próxima  a  cero,  para  poder   evaluar   mejor   esta  tensión  usaremos  el  gráfico.  Como  podemos  ver  la  corriente  de  la  base  corresponde  a  1,1V  de  tensión  entre  colector-­‐emisor,  Vce.

Figura  5.11  Circuito  para  control  de  una  carga  Hpo  LED.

IC = hFeIB ⇒ IB =IChFe

RB =VBB −VBE

IBRB =

5V − 0,7V74,07uA

= 58kOhm

Figura  5.12  La  curva  de  relación  entre  Vce  y  Ib  para  transistor  BC547.

 Calculamos  la  resistencia  del  colector:

Equivalente  más  próximo  comercial  de  la  resistencia  de  base  del  cual   disponemos  es  68  kOhm  y  de  la  resistencia  de  colector  -­‐  390  Ohm.  Escogemos  un  valor  más  grande  para  no  sobrepasar  el  valor  de  corriente  máximo  del  colector,  el  cual  es  20mA.

Rehacemos  los  cálculos  para  determinar  los  valores  de  Ib  e  Ic  con  resistencias  prácHcas:

Ib=63uA.

Calculamos  la  corriente  Ic  de  dos  maneras:

Ic=  17mA.

RC = Vcc −VD −VceIC

RC = 9V −1,5V −1,1V20mA

= 320Ohm

IB =VBB − 0,7

RB

IC = hFeIB

IC = Vcc −Vd −VceRcc

Vrb=4,28V.

Vrc=6V.

Montamos  el  circuito  y  realizamos  las  mediciones:

Figura  5.13  Realización  de  mediciones  Vrb,  Vrc  y  Vce  en  el  circuito  con  diodo  LED.

Rellenamos  la  tabla  con  valores  prácHcos  y  teóricos.

Parámetro Teórico PrácHco

Ic 16,2mA 15,5mA

Ib 63uA 62,6uA

Vbe 0,7V 0,72V

Vce 1,1V 1,12V

Vrb 4,28V 4,26V

Vrc 6V 5,7V

Tabla  5.3  Resultados  de  la  acHvidad.

IC = 9V −1,5V −1,1V390Ohm

= 16,20mA

VRB = IBRB

VRC = ICRC

Para  dibujar  la  recta  de  carga  en  el  plano  (Vce,  Ic)  del  transistor  se  seleccionan  dos  puntos:  a)  Vce=0,  entonces  Ic=(Vcc-­‐Vd)/Rc,  Ic=17,5mA,;  b)  Ic=0,  entonces  Vce=Vcc,  Vce=9V,  figura  5.14,  con  el  punto  azul  se  señala  el  punto  Q  de  trabajo  del  transistor.  

La  diferencia  entre  los  resultados  prácHcos  y  teóricos  se  debe  principalmente  a  que  la  caída  de  tensión  en  el  LED  que  usamos  es  de  2,18V  y  según  Kirchhoff  tenemos  menos  tensión  en  la  resistencia  del  colector  y  respecHvamente  fluye  menos  corriente,  a  la  ganancia  del  transistor   cuyo  valor   es  dinámico  y  depende  mucho  de  la  corrientes  que  fluyen  en  él,  a  la  tolerancia  de  las  resistencias  usadas  en  la  pracHca  y  a  las  formulas  que  son  una  aproximación.

C O N C L U S I Ó N

En  esta  prácHca  hemos  aprendido  a  uHlizar  el  transistor  como   interruptor  para  acHvar   y  desacHvar  una  carga.  Hemos  aprendido  el  concepto  de  corte  y  saturación  de  un  transistor.  Ahora  somos  capaces  de  hacer   los  cálculos  necesarios  para  saturar  un  transistor.

A P É N D I C E

Hojas  de  datos  de  los  transistores  usados  en  la  pracHca:BC547hqp://www.datasheetcatalog.org/datasheets/150/128424_DS.pdf

Figura  5.14  Determinación  del  punto  de  trabajo  del  transistor.