Dispositivos Electrónicos
PRACTICA 1
FAMILIARIZACIÓN CON LOS TRANSISTORES Y GANACIA DE CORRIENTE (β) EN UNA CONFIGURACIÓN EMISOR COMÚN
OBJETIVOS
Familiarizar al lector con diversos tipos de transistores. Medir los efectos producidos por la polarización en directa (normal) y en inversa en la corriente emisor-base del circuito emisor-base. Medir los efectos producidos por la polarización en directa y en inversa en la corriente del colector en el circuito emisor-base. Medir ICBO Medir los efectos de la variación de IB en el valor de IC Determinar el valor de beta
PRE-REPORTE
Traer impresas las hojas del fabricante de los transistores utilizados en la práctica.
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ANTECEDENTES TEORICOS Transistor: dispositivo formado por tres elementos
EI interés científico de los semiconductores trajo consigo la invención del transistor. Una ventaja del transistor es su tamaño y peso reducidos, lo cual permite la miniaturización del equipo electrónico. El transistor opera con poco voltaje y su consumo de electricidad es mínimo. No necesita un periodo de calentamiento y funciona en cuanto se le suministra energía. Una de las desventajas de los transistores es su sensibilidad al calor, pero una ventaja es que genera muy poco. Existen diversos tipos de transistores. Se pueden clasificar de acuerdo como el tipo de material básico con que se construyen. En esta categoría figuran los transistores de germanio y silicio. La mayor parte de los transistores se hacen de silicio. También se clasifican de acuerdo con el proceso utilizado para su fabricación. Existen diversos tipos de transistores de unión: transistor de unión por crecimiento, de unión por aleación, de campo de arrastre, tipo meseta, epitaxial tipo meseta, planar y de contactos de punta. Se pueden clasificar también según su capacidad para disipar potencia; aquí se encuentra una amplia gama, desde los de baja potencia (de menos de 50 mW) hasta los de alta potencia (2 W y más). Los transistores tienen diversas formas y tamaños (figura 4-1). Existen variantes en cuanto a la configuración de su receptáculo y a la manera de montar el transistor en el circuito. Algunos se montan sobre un conector. Estos se adaptan a la forma de la base física del transistor. Algunos transistores tienen conexiones flexibles que permiten soldarlos directamente en el circuito.
Figura 4.1 Algunas formas del transistor.
Los transistores son una extensión del diodo de semiconductor. El transistor PNP mostrado en la figura 4-2 es un ejemplo. Un transistor de unión construido con una capa muy delgada de silicio tipo N entre dos capas "gruesas" de silicio tipo P. De las placas metálicas individuales que están en contacto con los respectivos cristales semiconductores se toman tres conexiones. La oblea P de la izquierda se denomina "emisor", la oblea N de en medio, "base" y la oblea P de la derecha, "colector". La base tiene alrededor de 1 mil (0.001 pulg) de espesor.
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Figura 4.2 Transistor de unión pnp
Para efectos de polarización, este transistor se puede considerar como dos diodos. El emisor-base es un diodo y el colector-base es el otro diodo. Cuando se utiliza como amplificador, el transistor se polariza como se indica en la figura 4-3. El emisor-base se polariza en sentido directo o en dirección de resistencia mínima con un V EE ; el colector base se polariza en sentido inversa, o en dirección de resistencia máxima con un V cc
Figura 4.3 Polarización de un Transistor pnp
Los huecos son los portadores de corriente mayoritarios del diodo emisor-base y salen del emisor tipo P. Solo una pequeña cantidad de los huecos emitidos por el emisor se combinan con los electrones libres de la base. Los demás (un 95%) atraviesan la delgada capa de material, y son atraídos por la terminal negativa de la batería en el colector. El circuito emisor-colector se completa en forma externa a través de las dos baterías, V EE y Vcc, conectadas en serie. El resistor, Rc , limita el valor máximo de la corriente de colector. De acuerdo con esta descripción del flujo de corriente en un transistor, el emisor es la fuente de los portadores de corriente, que la corriente emisor base es muy pequeña y que la corriente en emisor-colector es alta. También se observa que los cambios que se producen en la polarización emisor-base ocasionan cambios en la corriente del emisor. Es decir, un aumento de la polarización en directa produce un aumento en la corriente de emisor y, por lo tanto, en la corriente del colector. La corriente de base aumenta o disminuye muy poco con un aumento o disminución en la corriente del emisor. Por lo tanto, es evidente que es fácil controlar la corriente del colector si se cambia la polarización de la parte emisor-base. Ahora los términos "emisor" y "colector" se pueden asociar con las funciones que desempeñan. También es posible fabricar un transistor de unión con una configuración NPN (figura 4-4). Igual que en el caso anterior, la polarización del emisor-base debe realizarse en la dirección directa, en tanto que la del colector-base se hace en la dirección inversa. Dado que en este caso se utiliza un cristal tipo N como emisor y colector y uno de tipo P Universidad la Salle Noroeste, A.C.
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Dispositivos Electrónicos como base, hay que invertir las polaridades de la batería en relación con la polaridad de un transistor PNP. En el caso transistor NPN, los electrones son los portadores de corriente mayoritarios. Para el transistor PNP estos portadores son huecos.
Figura 4.4 Polarización de un Transistor npn
La figura 4-5 es un diagrama simplificado en el que se muestra la dirección del flujo de la corriente de electrones el circuito externo de un transistor PNP. Note que es una corriente de electrones la que fluye en el circuito externo y f.ujo de huecos dentro del cristal tipo P. La corriente designada como I CBO es una corriente de fuga muy pequeña, y por el momento no se analizara. La corriente que fluye por circuito del emisor es la corriente "total" y es igual a la suma de las corrientes de base y colector.
Figura 4.5 Flujo de corriente de electrones por el circuito externo de un Transistor pnp
La figura 4-6 es un diagrama simplificado que muestra dirección del flujo de la corriente de electrones en el circuito externo de un transistor NPN. Al compararlo con la figura 4-5 se observa que la dirección del flujo de la corriente del circuito externo del transistor NPN es opuesta a la del tipo PNP.
Figura 4.6 Flujo de corriente de electrones por el circuito externo de un Transistor npn
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Dispositivos Electrónicos I CBO y
el embalamiento térmico
I CBO es la corriente de
colector que fluye cuando la unión formada por colector-base esta polarizada en dirección opuesta con la unión emisor-base en circuito abierto (no hay VEE). Esta corriente de fuga (I CBO) se debe a portadores minoritarios en el colector y la base. El valor de I CBO está en el intervalo de unos picoampers (pA), para el germanio y de unos nanoampers (nA), en el caso del silicio y aumenta de valor al aumentar la temperatura. Un importante factor que afecta la operación del transistor es la temperatura de funcionamiento. Una temperatura mayor da una corriente mayor; a su vez, esto produce más calor y más corriente. Si esta reacción en cadena, conocida como embalamiento, no se interrumpe, puede dar como resultado la destrucción completa del transistor debido al calor excesivo. El intervalo normal de temperatura dentro del cual es posible operar un transistor sin riesgos esta especificado por el fabricante. Los transistores de silicio toleran mejor el calor que los de germanio, por lo que su intervalo de temperatura de funcionamiento es mucho más amplio que para los transistores de germanio. Símbolos
Las figuras 4-7a) y b) muestran los símbolos que representan los transistores PNP y NPN, donde el elemento que tiene una flecha es el emisor y su contraparte simétrica es el colector. El transistor PNP se caracteriza por la flecha del emisor que apunta hacia la base, en tanto que la flecha del emisor sale de la base para el transistor tipo NPN. Observe que el flujo de la corriente de electrones dentro del transistor es opuesto a la dirección de la flecha.
Figura 4.7 Símbolos esquemáticos de a) transistor pnp y b) transistor npn
Los transistores se clasifican de acuerdo con su capacidad para disipar potencia. Un transistor utilizado como amplificador de audio de bajo nivel tendrá una especificación de potencia baja, por decir, de 50 mW. Un transistor empleado como amplificador de salida debe tener una especificación de watts mayor. Las cubiertas de los transistores de potencia están diseñadas especialmente para favorecer un enfriamiento rápido. Por ejemplo, en algunos transistores de potencia se utilizan aletas radiales para disipar el calor (figura 4-1). Otros tipos de transistores utilizan una envolvente metálica montada en el chasis metálico del equipo en que se utiliza. En este transistor, el colector se conecta con la cubierta del transistor y el chasis se encarga de disipar el calor. La especificación de potencia de este tipo de transistor es mayor cuando se monta en el chasis metálico, como se describió, y una especificación de potencia menor cuando no
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Dispositivos Electrónicos se monta en dicho chasis. La siguiente es una lista de las abreviaturas utilizadas para denotar los parámetros de un transistor: VBB ICB VKJ VCB
Voltaje alimentado a la base. Corriente colector a base (para evitar confusiones se puede usar el segundo sub-índice). Voltaje de circuito entre elementos, por ejemplo, entre K y J. Voltaje entre colector y base.
Configuraciones de los circuitos de transistores
Un transistor formado por tres elementos se conecta en un circuito de tres maneras distintas; 1) emisor aterrizado o emisor común, 2) base aterrizada o base común y 3) colector común o colector aterrizado. Los circuitos respectivos se muestran en la figura 4-8a), b) y c). Cada uno de estos circuitos tiene determinadas propiedades con las cuales se familiarizará. El emisor aterrizado es la configuración que se utiliza con mayor frecuencia pues permite obtener ganancia en voltaje, corriente y potencia. En estos circuitos se conecta en la entrada una señal de voltaje y en la salida se obtiene la señal procesada. El término emisor común se origina en el hecho de que el emisor es común tanto para la señal de entrada como para la salida. En la configuración del colector común, éste se encuentra a un potencial de cd, Vcc, necesario para obtener la polarización en inversa del circuito de colector. Suponiendo que Vcc es una batería ideal sin resistencia interna, la impedancia del circuito de colector es de 0. El colector funciona como referencia común para la señal de entrada y de salida. Dado que el colector es común para la entrada y la salida, este circuito se conoce como de colector común o aterrizado. La configuración base común se origina del hecho que la base es común tanto para la señal de entrada como para la salida.
Figura 4.8 Configuraciones de circuitos de transistores a) de emisor común; b) de base común; c) colector común
Configuraciones de los circuitos de transistores Alfa
En el caso del circuito de base común, la corriente del colector se controla con variaciones de la corriente del emisor. Esto se tiene en cuenta al evaluar una importante característica de control (alfa o ganancia de corriente) de un transmisor en una configuración de base común. Alfa se define como el cociente de variación de la corriente del colector, ΔIc (léase delta I c) y la variación en la corriente del emisor , ΔI E, con el voltaje del colector base constante. Así, Universidad la Salle Noroeste, A.C.
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Alfa se conoce como cociente de transferencia de la corriente en sentido directo, y se representa como h fb. Beta
En la configuración de emisor aterrizado (figura 4-9), la señal de entrada se conecta a la base. La ganancia de corriente ahora representada por ß (la letra griega beta) y se define como sigue:
La ecuación anterior establece que ß es el cociente de la variación en la corriente del colector, ΔIc, producida por la variación en la corriente de base, ΔI B, con el voltaje del colector VCE, en un valor constante. Es decir, ß es el factor de amplificación de la corriente de un amplificador de emisor aterrizado. Otro símbolo para ß es hfe. Cuando VCE es constante, el cociente ΔIc /ΔIB es igual a α. Por lo tanto si VCE y VCB son constantes, la ecuación se convierte en
Es evidente que conforme α se acerca a 1, ß es cada vez más grande. Así, un transmisor cuya α es 0.98 tiene una ß con valor de 49, mientras que una α de 0.99 se asocia con una ß de 99. Como una variación tan ligera en α en la región del valor 1 produce un cambio tan grande en ß, la medición de α debe ser muy precisa para evitar errores al aplicar la fórmula de ß.
Figura 4.9 Corriente en un amplificador con emisor aterrizado
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MATERIAL Y EQUIPO EMPLEADO Cantidad 1 1 1 1 1 1 1 1 2
Descripción NI ELVIS II Transistor 2N3904 o equivalente Transistor 2N3905 o equicalente Resistencia de 100 Ohms, ½ W. Resistencia de 820 Ohms, ½ W Resistencia de 4.7 KOhms Potenciómetro 2.5 KOhms 2 W Potenciómetro 5 KOhms Interruptores de un polo un tiro
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DESA RROLLO EXPERIMENTAL 1.- POLARIZACIÓN PNP. 1.1 Arme el circuito de la figura 4-10 con los interruptores S1, y S2 abiertos. La configuración de este circuito se llama amplificador de base común. La corriente de entrada (I E ) se aplica en la conexión del emisor, y la corriente de salida (I C) se mide en el circuito del colector. Configure R2 para el valor de resistencia máxima; con ello se obtiene la polarización mínima en el emisor al aplicar la alimentación eléctrica. R1 es un resistor limitador de corriente (o de polarización) en el circuito del emisor. R3 es un resistor limitador en el circuito del colector. Conserve la polaridad correcta de la batería y del medidor. Configure los medidores M l y M2 para valores altos. Una vez conectada la alimentación, disminuya el intervalo del medidor hasta que sea adecuado para leer el valor de la corriente.
Figura 4.10 Medición de corriente y voltaje en los circuitos de emisor y colector de un transistor PNP
1.2 Cierre S1 y S2. Observe y mida la corriente presente en los circuitos del emisor y colector. Haga sus mediciones de manera precisa para advertir cualquier diferencia entre IE e IC. Anote los datos en la tabla 4-1. Mida el valor de los voltajes emisor base (VEB), colector-base (vcb) y colector emisor (VCE) y anótelos en la tabla 4-1. Muestre la polaridad de cada voltaje. 1.3 Configure R2 para el valor de resistencia mínima, es decir, para obtener la polarización de emisor máxima. Cambie los intervalos del medidor según se requiera. Observe y mida IE, IC, VEB, VCB y VCE. Anote los datos obtenidos en la tabla 4-1. Indique la polaridad de cada voltaje. 1.4 Abra S1. Abra el circuito emisor-base abriendo S2. 1.5 Cierre S1. Observe y mida el valor de ICB. Anote los datos en la tabla 4.1 Este es el valor de ICBO para las condiciones del circuito. Mida el valor de VCB y anótelo en la tabla 4.1. Indique la polaridad del voltaje.
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Paso
IE ,
mA
Ic mA
VEB
VCB
V CE
IB
VR1
1.2 1.3 1.5 2.2 2.3 2.5 Tabla 4.1 Característica de un amplificador con transistor
2 POLARIZACIÓN NPN 2.1 Abra S1. Quite el transistor PNP del circuito y sustitúyalo por el transistor NPN, invierta la polaridad de V cc y de V EE , como en la figura 4-11.
Figura 4.11 Medición de corriente y voltaje en los circuito de emisor y colector de un transistor NPN
2.2 Cierre Sl. Configure R2 para el valor de resistencia máxima. Cierre S2. Observe y mida el valor de IE y de IC. Anote los datos en la tabla 4-1. Mida los valores de VEB, VCB y VCE y anótelos en la tabla 4-1. Indique la polaridad. 2.3 Configure R2 para el valor de resistencia mínima. Cambie los intervalos del medidor según se requiera. Observe y mida I E, I C , V EB , V CB y V CE . Anote los resultados en la tabla 4-1. Indique la polaridad del voltaje. 2.4 Abra S1. Abra el circuito emisor-base abriendo el interruptor S2. 2.5 Cierre S1. Observe y mida ICBO y VCB. Registre los datos en la tabla 4-1.
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3 MEDICION DE BETA 3.1 Arme el circuito de la figura 4-12, M 1 y M 3, son multímetros. El valor de R 4 se fija para que produzca una resistencia máxima, antes de conectar la alimentación.
Figura 4.12 Medición de corriente y voltaje en los circuito de emisor y colector de un transistor NPN
3.2 Cierre S1 y S2. Ajuste el valor de R 2 a la corriente de base 10 μA (I B). Ajuste el valor de R 4 para VCE para VCE = 6V. Mida el valor de I C y anótelo en la tabla 4-2. 3.3 Ajuste R 2 para que I B = 30 μA. Ajuste R 4 para mantener V CE en 6 V, Mida y anote el valor de IC. 3.4 Ajuste R 2 para que I B = 40 μA Ajuste R 4 para mantener V CE en 6 V, Mida y anote el valor de IC. 3.5 Vuelva a ajustar R 2 y R 4 para una IB de 50 μA y un V CE de 6 V. Mida y anote el valor de Ic. 3.6 Abra S1 y S2. Calcule β con los valores medidos de la tabla 4-2; anote el valor. Paso 3.2 3.3 3.4
IB (μA)
Ic (mA)
Beta
10 30 40 Tabla 4.2 Medición de la corriente
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ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS 1. ¿Qué efecto produce en la corriente del colector un aumento en la polarización del emisor? (configuración base común) 2. Calcule la corriente de base (I B = I E -I c ) para cada conjunto de lecturas en la tabla 4-1. Anote estos va lores en la tabla. 3. Compare y explique las diferencias entre los valores de IC e I CB0. 4. Compare y explique las diferencias en los valores de V CE obtenidos en los pasos 1.2 y 1.3. 5. Calcule el voltaje presente en R3 (V R3 = I c X R 3) para cada conjunto de lecturas en la tabla 4-1. Comente acerca de la relación entre V R3 y V EB. 6. La ganancia de un amplificador se calcula dividiendo la corriente de
salida (IC en este experimento) entre la corriente de entrada (I E). ¿Cuál es la ganancia en corriente del amplificador de base común utilizado en este experimento en condiciones normales de operación?
7. Con base en el valor de β determinado en el experimento, encuentre α. Muestre la fórmula y su desarrollo.
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