Practica No 9: Transistor BJT, caracterización y circuitos de polarización Barragán N. Juan Antonio, Bohórquez T. Diana Camila, Ruiz S. Nathaly Elizabeth. Abstract- Since its invention, the BJT transistor have revolutionized electronics thanks to the wide range of applications that can be done with them, applications that range from amplifiers design to the design of digital logic and memory circuits. Although now a day it is being replaced by the MOSFET transistor, who is now considered the most widely use electronic device, BJT technology remains significant in certain applications, like in high frequency circuits or automotive technology. The main objective of the following paper is to be introduced to the basic current-voltage characteristics of BJT transistor, as well as, to its basic parameters and operation regions. Also it will be analysed some basic biasing configurations, that will later lead to design of amplifications circuits with BJTs. Finally it will be analysed which of the biasing configurations it is more stable to temperature changes.
el pnp, para este laboratorio solo se utilizará transistores tipo npn por lo que no se explicaran los transistores pnp. La representación típica de un transistor BJT npn se observa en la ilustración 1.
Keywords: BJT operation regions, BJT voltage-current characteristics, 3 terminal devices, BJT biasing configurations.
I.
INTRODUCCIÓN
Los dispositivos de tres terminales, como el transistor MOSFET o BJT han demostrado ser de mucha mayor utilidad que los dispositivos de dos terminales esto se puede concluir a partir de la amplia gama de aplicaciones que se han podido desarrollar desde su aparición. Actualmente los transistores BJT son muy utilizados en circuitos analógicos que están expuestos a condiciones climáticas difíciles, circuitos de alta frecuencia o combinados con transistores MOSFET para aplicaciones innovadores, además de ser un dispositivo muy útil para el diseño de reguladores serie y amplificadores de señal. El objetivo de este laboratorio será familiarizarse con las características básicas de corriente y voltaje y las zonas de operación de un transistor BJT mediante mediciones en el laboratorio y analizar una primera aplicación de este transistor en circuitos de polarización, una buena comprensión de las características de este dispositivo facilitará después el diseño y análisis de aplicaciones más complejas como los circuitos amplificadores de señal. II.
MARCO TEÓRICO
Los transistores BJT son dispositivos electrónicos de tres terminales, las cuales se nombraran siempre emisor, base y colector. Se pueden hallar dos tipos de este transistor, el npn y
Ilustración 1: representación típica de un transistor BJT, npn Los transistores BJT tienen tres zonas de operación, la zona activa, zona utilizada para el desarrollo de amplificadores, la zona de saturación y la zona de corte, cada uno de estas zonas tiene características completamente diferentes. Se empezará analizando la más sencilla de todas, la zona de corte. En esta zona el transistor se comporta como un circuito abierto es decir no conduce corriente a través de las terminales colector emisor, se accede a esta zona cuando el voltaje en la juntura base emisor es menor a 0.7 volts, se puede considerar que entre la base y el emisor se encuentra un diodo, y que este solo conducirá cuando esta polarizado en directo a más de 0.7 volts aproximadamente. La siguiente zona de operación a analizar es la zona activa en esta zona el transistor se puede modelar como una fuente de corriente controlada por corriente, la corriente reguladora será la corriente que entra por la terminal de la base y la corriente
regulada será la que entra a través de la terminal del colector. La relación entre estas dos corrientes es la siguiente: 𝐼𝐵 =
𝐼𝑐 𝛽 (1)
Donde Ib es la corriente de la base, Ic la corriente del colector y β un parámetro de construcción del transistor, se puede observar que entre mayor sea el parámetro β mayor es el aumento de la corriente del colector debido a una corriente de base fija. También se puede escribir la corriente del colector en función del voltaje entre la base y el emisor, en esta caso el transistor se puede modelar como una fuente de corriente controlada por voltaje, esta relación es la siguiente: 𝐼𝐶 = 𝐼𝑆 𝑒
𝑉𝑏𝑒⁄ 𝑉𝑡
Otra característica importante de esta zona de operación es que la corriente en el colector es independiente del voltaje que haya entre las terminales del colector y el emisor, esta característica hace esta zona muy deseada para el diseño de amplificadores de señal. Se estará en esta zona siempre y cuando la juntura base emisor este polarizada a más de 0.7 volts y que el voltaje colector emisor sea mayor a 0.3V si este voltaje es menor a 0.3V se entrará en la última zona de operación, la zona de saturación. La saturación no es una zona muy deseada debido a que la corriente del colector se vuelve dependiente del voltaje colector emisor y disminuye a medida que este lo hace, al realizar el cálculo del factor β en esta zona se obtendrá un valor más pequeño al calculado en la zona activa debida a la dependencia de la corriente de base con el voltaje colector emisor. En la ilustración 2 se observa la gráfica de corriente de colector vs el voltaje colector emisor, se observa que a partir de 0.3 volts la corriente toma un valor constante independiente de voltaje colector emisor. Otra característica importante que se observa es que la pendiente en la zona de saturación y la corriente constante que se obtiene en el colector es mayor si se aplica una mayor corriente de base.
Ilustración 2: grafica Ic vs Vce
III.
SIMULACIONES, GRÁFICOS, TABLAS Y FÓRMULAS.
Procedimiento 1:
Circuito 1: Circuito utilizado para el primer procedimiento, la probeta verde corresponde al voltaje colector emisor mientras que la probeta roja corresponde al voltaje base emisor.
Imagen 1: fotografía de la señal obtenida al observar con el osciloscopio, el voltaje colector emisor del circuito 1 (Probeta Verde)
VBE VS IC
10 8 IC (mA)
6 4 2 0
-2 0
0,5 Vbe (V)
1
Gráfica 1: curva exponencial de los datos de la tabla 1, estos datos se tomaron fijando puntos arbitrarios del voltaje Vbe y luego midiendo la corriente del colecctor. Imagen 2: fotografía de la señal obtenida al observar con el osciloscopio, el voltaje base emisor del circuito 1 (Probeta roja)
IC(mA) 4,08 4,46 4,8 5,16 5,02
IB(mA) 0,04 0,05 0,06 0,08 0,07 B promedio
B 102 89,2 80 64,5 71,7142857 81,4828571
Tabla 2: tabla de diferentes valores para la corriente de la base y la corriente del colector. Imagen 3: Función de transferencia del circuito 1, esta se logró observando el voltaje Vbe y Vce en el modo XY del osciloscopio
VBE (V) 0 0,56 0,77 0,785 0,791 0,795 0,8 0,822 0,843
IC (mA) 0 0 3,12 4,92 5,54 5,9 6,46 8,09 8,94
Tabla 1: Datos de corriente colector vs voltaje base emisor para el procedimiento 1.
Procedimiento 2:
Circuito2:
Imagen 4: Voltaje colector-emisor y el voltaje en la resistencia de 1k del circuito 2.
Circuito 4:
Imagen 5: Voltaje colector-emisor y el voltaje en la resistencia de 1k en el modo xy del osciloscopio Procedimiento 3: Diseño de circuitos de polarización:
Circuito 5:
Vb Circuito Vc 3 Ve Vb Circuito Vc 4 Ve Circuito 3:
temp ambiente 3,05 8,92 2,26 0,802 6,76 0
Calentado 3,08 8,9 2,3 0,643 6,65 0
Tabla 3: mediciones de las variaciones de cada configuración a cambios de temperatura. IV.
ANALISIS
Procedimiento 1: Al conectar la señal sinusoidal al circuito del procedimiento 1, se observaron variaciones del voltaje base-emisor entre 0.5 V
y 0.8V, lo que generaba que el transistor estuviera alternando entre la zona de corte y la zona Activa de operación. Cuando el voltaje Base Emisor se encuentra su valor más bajo (0.5V) se observa que el transistor se encuentra en la zona de corte y por lo tanto no hay conducción a través de las terminales de colector emisor. Al no haber corriente en esa malla del circuito también se observa que los 10 voltios de la fuente dc aparecen en las terminales del colector y el emisor. A medida que el voltaje base emisor aumenta, el diodo cambia de zona de operación a zona activa, en esta zona el transistor empieza conducir corriente lo que genera una caída de voltaje en la resistencia de 1 y en consecuencia el voltaje colector emisor se reduce. Al visualizar Vbe y Vce en el modo xy del osciloscopio, imagen 3, se observa el comportamiento anteriormente descrito, una zona en la que el voltaje colector emisor es constante y durante la cual el transistor se encuentra en la zona de corte y una segunda sección en la que el voltaje colector emisor se reduce drásticamente debido a la corriente fluyendo a través de la resistencia de 1k. Si se hubiera permito que el voltaje base emisor hubiera aumentado más, se hubiera observado como el transistor entra en la zona de saturación, esto se hubiera logrado cuando el voltaje colector emisor hubiera llegado al valor de 0.3 voltios, completando la función de transferencia del transistor. Para la segunda parte del procedimiento 1, se remplazó la fuente sinusoidal por una fuente DC y se tomaron datos de la corriente de colector y del voltaje base emisor para diferentes valores de esta fuente, estos se ven consignados en la tabla 1. Al realizar la gráfica de estos se observa la relación exponencial que hay entre el voltaje base-emisor y la corriente de colector. Esta relación proviene del diodo que hay en la juntura base-emisor que hay en el transistor. Para la medición del parámetro Beta del transistor en zona activa se realizó la medida de diferentes valores de la corriente de base Ib y la corriente del colector Ic para diferentes valores de la fuente DC, estos datos se encuentran consignados en la tabla 2, adicionalmente se encuentra en la tabla la razón de Ic/Ib que es igual al parámetro Beta del transistor, al realizar el promedio de todos los puntos medidos se obtienen un valor de Beta de 81, este valor se utilizó para el procedimiento tres para el diseño de los circuitos de polarización. Del procedimiento anterior se concluyen que existe una relación exponencial entre la corriente del colector y el voltaje base-emisor, la segunda conclusión que se obtiene es que si la juntura base emisor no está polarizada a más 0.5 voltios le transistor se encontrará en la zona de corte y no conducirá corriente, finalmente se concluye al trabajar el transistor BJT entre la zona activa y la zona de corte funciona como una switch controlado por voltaje (VBE ). Procedimiento 2:
En el circuito dos se procedió primero a observar la corriente del colector mediante la caída de voltaje de la corriente de 1 k y el voltaje colector emisor mediante los dos canales del osciloscopio de donde se obtuvo la imagen 4 y se consignó en la bitácora que el voltaje máximo alcanzado entre el colector y el emisor fue de 40mV, por lo que se concluye que el transistor esta trabajando en la región de saturación, al observar estas dos señales en el modo XY del osciloscopio se obtiene una línea recta que corresponde a la zona de saturación de la gráfica de Ic vs Vce. Al aumentar el potenciómetro, se observó que la pendiente de la recta aumentó, lo que implica que hay una relación entre la corriente de la base y la curva de Ic vs Vce, finalmente se reemplazó la señal triangular por una fuente dc de 10 V y se calculó la razón entre Ic y Ib para obtener un valor de B del transistor en la zona de saturación, para el caso en el que el potenciómetro tenía un valor de 5k se obtuvo que Ic=19.21mA y Ib=2.37mA, al realizar la razón de estas dos se obtuvo un valor de B de 8.10 valor considerablemente significativo al calculado en el procedimiento anterior. Se concluye del anterior procedimiento que la existencia de una zona más del transistor, la zona de saturación, cuya principal característica es que la corriente es dependiente del voltaje que haya en entre el colector y el emisor, también se concluye que el B del transistor en esta zona es significativamente menor al que obtuvo al medirlo en el multímetro. Procedimiento 3: Una vez diseñados los circuitos con las especificaciones dadas en la guía, se procedió a realizar mediciones del voltaje de base, del voltaje de colector y del voltaje de emisor para los tres circuitos a temperatura ambiente y luego calentando el transistor mediante un cautín, los datos se encuentran consignados en la tabla 3. La primera observación que resalta es que el voltaje de la base en la primera configuración se cae significativamente, de 0.8 a 0.64, esta configuración no es recomendable para polarizar el transistor BJT se fija tanto el voltaje Vbe como la corriente de base, el resultado de esto es que cualquier variación que haya por pequeña que sea, resultará en grandes cambios tanto en la corriente del colector como el voltaje VCE . Al comparar las variaciones de la configuración 2 se puedo concluir que a pesar de las variaciones de temperatura los voltajes en cada nodo del transistor no variaron significativamente. Esto se puede explicar gracias a que la resistencia Re que no se tenía en la configuración anterior cumple la función de retroalimentar el sistema negativamente, si por ejemplo la corriente del colector aumentará por la variaciones de temperatura, la caída de voltaje en la resistencia también aumentaría y por lo tanto el voltaje del emisor,
teniendo en cuenta que el voltaje en la base solo depende del divisor de voltaje de la resistencias conectadas a la base y estas no varían el voltaje de la base se mantiene constante, haciendo que el voltaje VBE disminuya contrarrestando el aumento de corriente en el colector que se había asumido inicialmente. Este configuración de polarización es muy apropiada para el diseño de amplificadores en la configuración de emisor común, debido a su robustez frente a variaciones de temperatura. La tercera configuración de polarización demostró ser igual de robusta a la anterior, con la única desventaja que requiere de dos fuentes de voltaje para montarla, esta configuración es muy útil para diseñar amplificadores en configuración de emisión común y de base común si se retira la resistencia de la base.
V. CONCLUSIONES: El transistor BJT tiene tres zonas de operación en las que puede trabajar, la zona de corte en la que transistor no conduce a través de las terminales de colector y el emisor, se accede a esta zona de operación cuando el voltaje en la juntura base emisor es menor 0.5 volts, la zona activa, en la cual la corriente en el colector es independiente del voltaje colector-emisor, se accede a esta zona al aumentar el voltaje base emisor a más de 0.5 v y adicionalmente se debe tener un voltaje Vce mayor a 0.3 voltios para mantener la juntura base colector polarizada en inversa, finalmente si el voltaje Vce se reduce a menos 0.3 v el transistor estará trabando en la zona de saturación. En la zona de saturación el parámetro beta del transistor es mucho más pequeño del que se obtiene en la zona activa, y se puede variar de acuerdo a la corriente de la base. En los circuitos de polarización con BJT no es conveniente fijar una corriente de base o un voltaje Vbe ya que cualquier pequeña variación en los parámetros del transistor generara grandes cambios en la corriente del colector y en el voltaje colector emisor.
VI.
BIBLIOGRAFÍA
[1]Muhammad, R. Circuitos micro electrónicos análisis y diseño. España, Madrid. International Thomson Edition. 2000. Pag. 109-123. [2] A. S. Sedra and K. C. Smith, Microelectronic Circuits Revised Edition, 5th ed. New York, NY, USA: Oxford University Press, Inc., 2007. Pag. 207-213.