Pr´ actica act ica 3: Transis ran sistor tores es Cynthia Maldonado Gonzalez 16 de Mayo de 2017 En la presente pr´actica actica se expone a los transistores como un medio para dise˜nar amplificadores de se˜nales; nales; para ello, ell o, se comienza explicando qu´e y c´omo omo funciona un transistor cuando trabaja con corriente cont´ cont´ınua y corriente alterna, por lo que se introduce el concepto de fuentes dependientes para finalmente exponer las expresiones que relacionan los voltajes de entrada y salida para despu´ es es obtener la ganancia del circuito estudiado. Resumen
1.
Intr Introdu oducc cci´ i´ on on
Un transistor es un dispositivo electr´onico onico semiconductor utilizado para entregar una se˜nal nal de salida en respuesta a una se˜nal nal de entrada. Cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. Dependiendo de su acci´on on sobre la corriente (ya sea amplificandola o atenuandola) recibir´a una ganancia llamada β o hFE.
PNP
◦
NPN
• Por
el material semiconductor emplea-
do: ◦ Transistores
de Silicio;
◦ Transistores
de Germanio.
• Por
Los transistores pueden clasificarse en dos grandes ramas: 1. Transistore ransistoress b jt: Controlados por corriente de base;
es el factor de amplificaci´on on (ganancia); β es Dan alta ganancia de corriente y voltaje;
la disipaci´on on de potencia:
◦ Transistores
de baja potencia;
◦ Transistores
de mediana potencia ;
◦ Transistores
de alta potencia.
• Por
La corriente de colector est´a en funci´on on de la corriente de beta;
la frecuencia de trabajo:
◦ Transistores
de baja frecuencia;
◦ Transistores
de alta frecuencia.
2. Transistores JFET
Tienen una relaci´on on lineal entre la corriente de base y la corriente del colector;
Son controlados por voltaje entre la puerta y la fuente;
Tienen una subclasificaci´ on on dada por: • Disposici´ on on
◦
Son dispositivos unipolares;
de sus sus capa capass (Vea (Vea figur figuraa
(3)):
Cuentan con un factor de transductancia g m 1
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Figura 1: Esquema de un transistor bjt d´onde pueden observarse las tres partes de ´el Las ganancias de corriente son altas y las de voltaje son menores a las de los BJT.
Figura 2: Esquema de un transistor FET d´onde pueden observarse las tres partes de ´el
Los transistores BJT constan de tres partes dopadas artificialmente que forman dos uniones bipolares: el emisor que emite portadores, el colector que los recibe o recolecta y la tercera, llamada base, se encarga de modular el paso de dichos portadores. (Vea figura(1)). Mientras que, los transistores FET cuentan con tres terminales denominadas: Drenador (drain), Fuente (source) y compuerta (gate). (Vea figura (2)) Centraremos nuestra atenci´on en los transistores BJT en sus dos modalidades (PNP, NPN). Los transistores son elementos electr´onicos que requieren de una polarizaci´on previa para poder trabajar. Existen cuatro condiciones de polarizaci´on posibles, dependiendo del sentido o del signo de los voltajes de polarizaci´on en cada una de las uniones del transitor, ´este se puede encontrar en alguna de las cuatro regiones (Vea figura (4)). Estas regiones son: Regi´ on Activa Directa; Regi´ on de Saturaci´on;
Figura 3: Esquema de un transistor BJT - PNP, NPN, mostrando el flujo de corriente.
Regi´ on de Corte; Regi´ on Activa Inversa Cynthia Maldonado Gonzalez
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Regi´ on Activa Directa;
La regi´on activa directa corresponde a una polarizaci´ on directa de la uni´ on emisor-base. Esta es la regi´on de operaci´on normal del transistor para amplificaci´on. La corriente de colector es proporcional a la corriente de base Se satisface que: I C = β ∗ I B
donde β es la ganancia obtenida. Regi´ on de Saturaci´ on Corresponde a una polariza-
ci´ on directa de ambas uniones. La operaci´on en esta regi´on corresponde a aplicaciones de conmutaci´on en el modo encendido, pues el transistor act´ua como un interruptor cerrado (V E = 0).
Figura 4: Esquema con las cuatro posibles regiones de trabajo de un transistor.
Regi´ on Activa de Inversa
Corresponde a una polarizaci´on inversa de la uni´on emisor-base y a una polarizaci´on directa de la uni´on colector-base. Esta regi´on se usa muy poco. Regi´ on de Corte
Corresponde a una polarizaci´on inversa de ambas uniones. La operaci´on en ´esta regi´on corresponde a aplicaciones de conmutaci´o n en el modo apagado, pues el transistor act´ua como un interruptor abierto (IC =0). Para cualquiera de las regiones en las que se trabaje, se debe calcular el punto de operaci´on Q (Vea la figura(5)), el cu´al tiene asociado una corriente I CQ . El c´alculo de ´este punto se obtendr´a en breve, pero antes introduciremos el concepto de Fuentes Dependientes e Independientes. Fuentes Dependientes e Independientes
Las fuentes dependientes producen un voltaje o corriente cuyo valor est´a determinado por la existencia de un voltaje o corriente en otro lugar del circuito. Las fuentes dependientes o independientes son elementos activos, es decir,son capaces de suministrar energ´ıa a alg´ un dispositivo externo, esta es justamente la diferencia principal con los elementos pasivos, los cuales Cynthia Maldonado Gonzalez
Figura 5: Gr´afica del punto de operaci´on Q dependiendo la regi´on en la que est´e trabajando.
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Figura 6: Fuentes dependientes controladas por voltaje (izquierda) y por corriente (derecha).
Figura 7: Transitor como fuente dependiente. Modelo π-h´ıbrido
no pueden generar energ´ıa, aunque pueden almacenar cantidades finitas de ´esta para su dstribuci´on posterior, como es el caso de los capacitores e inductores. La figura (6) muestra las dos fuentes dependientes, la primera controlada por el voltaje y la segunda por corriente.
do, y es empleado para analizar circuitos en los que
se ven involucradas fuentes dependientes, capacitores y transistores. Los circuitos que son dotados de dos fuentes, una directa y otra alterna, deben analizarse en dos secciones, citadas a continuaci´on:
Notemos que, el voltaje a trav´es de la fuente dependiente es dos veces mayor que la de la fuente independiente. Adem´ as, si en el circuito controlado por voltaje se sustituyera la fuente de corriente directa por una alterna, ver´ıamos que el voltaje a trav´ es de la fuente dependiente tendr´a el doble de la amplitud que la entrada y estar´a π desfasada.
1. An´ alisis del transistor en corriente directa. Obtenemos: Punto de trabajo Q con I CQ Obtenci´ on de la resistencia r π
2. An´ alisis del transistor en corriente alterna. Se coEntonces, es posible ver a los transistores como amplimienza colocando en corto a los capacitores para ficadores de se˜ nal, tal que la amplificaci´ on se obtenga posteriormente sustituir uno de los modelos de a trav´es de la ganancia de un circuito, la cual se detransistor npn, en particular haremos uso del Mofine como el cociente entre sus corrientes o voltajes delo Pi - H´ıbrido , el cu´ al puede observarse en la de entrada y salida, seg´un sea el tipo de fuente defigura (7); con esto buscamos obtener la corriente pendiente con la que se est´e trabajando, es decir, la IB en t´erminos de rπ , el voltaje de encendido, β ganancia de voltaje es la raz´ on del voltaje de salida y RE . con el de entrada; ´esta ganancia es empleada para los sistemas dependientes de una fuente controlada por Por ejemplo, consideremos el circuito (8) que consvoltaje; del mismo modo sucede para las fuentes de- ta con una fuente dependiente controlada por voltapendientes controladas por corrientes, solo que en este je; del cual queremos obtener una ganancia de β = caso, la ganancia de corriente es el cociente entre la 500, entonces al efectuar el an´alisis anterior, se obtiecorriente de salida con la de entrada. ne que: Entonces, podemos decir que un transistor puede estudiarse a trav´es de una fuente dependiente (de volta je o corriente), en particular podemos usar el modelo expuesto en la figura (7).
Transistor corriente directa Comencemos mar-
cando la parte del circuito (8) que se analiza con corriente directa, para ello, observemos el esquema izquierdo de la figura (9).
El esquema anterior se conoce como Modelo π - hibri- Los siguiente es determinar el punto de trabajo, por Cynthia Maldonado Gonzalez
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lo que debemos calcular el voltaje y la resistencia de Thevenin (Vth ), (Rth ) (vea la figura (9) esquema derecho) as´ı:
V th =
R2 V cc R1 + R2
V th = 5V
Mientras que:
Rth =
Figura 8: Circuito con un transistor actuando como aplificador de se˜ nal.
R1 R2 R1 + R2
Rth = 3.33K Ω
Luego, si suponemos que IC =IE y que V BEQ =0.7V podemos finalmente obtener la corriente del punto de operaci´on al emplear la siguiente relaci´on:
I CQ =
V th − V BEQ Rth β
+ RE
I CQ = 4.16mA
Note que la relaci´on para encontrar la corriente del punto de operaci´o n fue obtenida a partir de un an´ alisis de mallas sobre el circuito (9) esquema derecho. Para culminar el an´ alisis en corriente directa, pasamos al calculo de la resistencia rπ , donde rπ es la resistencia que aparece en el modelo π-hibrido, fig(7). Entonces si consideramos un voltaje t´ ermico (VT )=25mV; se tiene que:
Figura 9: Circuito analizado en corriente directa y usando voltaje de Thevenin
rπ =
V T β I CQ
rπ = 600Ω
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Figura 11: Circuito realizado para la primera parte de la presente pr´actica mos llegar a las siguientes expresiones: Figura 10: Fases para el an´alisis del circuito en corriente alterna
Transistor en corriente alterna Partamos nuevamente del circuito (8) y coloquemos en corto los capacitores para reducir el circuito al esquema superior izquierdo de la imagen (10), de donde al sustiuir las resistencias equivalentes:
V BE = ( iβ rπ + ( β + 1) iβ RE )
(1)
V s = (rπ + ( β + 1) RE )iβ
(2)
iβ =
V S rπ + ( β + 1) RE
(3)
Dado que Rin =Rth que es paralelo a (rπ +RE , entonces:
REQ resistencia equivalente de R 1 y R2 RL resitencia equivalente R C y RL
V L Rin = V S rπ (β + 1) RE (Rin + RS )
llegamos a la figura superior derecha de la imagen (10).
(4)
Finalmente, llegamos a la relaci´on para la corriente Finalmente, al sustituir el Modelo Pi-Hibrido, pode- iβ : V in mos obtener las ecuaciones de las tres mallas involu(5) iβ = rπ + ( β + 1) RE cradas, as´ı se tiene que:
2.
Malla1 : V S − V RS − V RT H = 0 Malla2 : − V Rπ − V RE + V RH = 0
Desarrollo
Empleando el circuito (11), determinamos el punto de trabajo (Q) utilizando la se˜nal de salida mostrada en un osciloscopio. (Vea figura(11)).
Malla3 : V E = βI β RL
El u ´ltimo experimento consisti´o en usar el an´alisis de Entonces, recordando que I2 =iβ y que I3 =iβ β , pode- los transistores y fuentes dependientes para analizar Cynthia Maldonado Gonzalez
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Figura 13: Se˜ nal obtenida del experimento (1)
Figura 12: Circuito realizado para la ´ultima parte de la presente pr´actica
Para el circuito (12) se obtuvieron las siguientes cantidades:
el circuito (12), obteniendo as´ı, la medici´ on del voltaje de colector emisor y la corriente de colector para determinar el punto de operaci´on Q. Posteriormente, se registr´o el voltaje V0 para despu´es determinar la ganancia del circuito.
3.
100
≤ β ≤ 300
(Seg´ un el datasheet)
El punto Q(VCE Q ,ICQ ) se determino a:
Resultados
•
VCE =3.939 V
•
ICQ =0.090 mA
La ganancia la obtenemos haciendo el cociente de: G =
Para el circuito (11) se obtuvieron los siguientes valores:
V salida V entrada
Entonces, se obtuvo G = -100
Vcc =15V
El voltaje V0 resulta ser V 0 =264sin(kx-wt)
β =203
Mientras que a imagen que arroj´o el osciloscopio es la n´ umero (14)
ICQ =4.11mA VCE =VCQ =6.814V Ganancia = -54
4.
An´ alisis y Conclusiones
rπ =1.23KΩ De acuerdo a las imagenes (13) y (14) podemos notar que ambas ganancias resultaron ser negativas lo que Y la imagen obtenida en el osciloscopio es la n´umero nos indica que existe un desafasamiento entre la onda (13) de entrada y la de salida. iβ =0.073mA
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man el circuito (8) se tiene que: La resistencia RE funciona como estabilizador ante las posibles variaciones del punto Q debido a los procesos t´ ermicos del transistor; Los capacitores sirven para mermar la perdida de ganancia a la salida del circuito, pues hace que la se˜ nal del emisor sea nula; Como el transistor trabaj´o en emisor com´un, la variaci´o n de RS provoca alteraciones en la corriente de base; La polarizaci´ on de la base se hace a traves de las resistencias R1 y R2 mientras que la polarizaci´on del colector se efectua a traves de R C .
Figura 14: Se˜ nal obtenida del experimento (2)
En un transistor actuando bajo emisor com´un se tienen impedancias y ganancias medias en:
Entre las observaciones obtenidas de forma emp´ırica destacan el haber precibido que al introducir diferentes frecuencias de la onda entrante, la ganancia no result´ o afectada.
La impedancia de entrada; La impedancia de salida; La ganancia de voltaje:
Por otro lado, podemos rescatar que cuando el transistor trabaja en corriente directa, ´este se polariza para poder obtener el voltaje m´aximo (pico - pico).
La ganancia de corriente; Adem´ as por obtener ganancias negativas existe inversion de fase
Respecto a las relaciones entre las diferentes corrientes producidas en un transistor (corriente de colector Finalmente, agregamos que un transistor como amIC , corriente de base I B y corriente de emisor I E ), se plificador trabajar´a mejor a medida que su ganancia se incremente pero manteniendo una impedancia de puede destacar que: entrada y salida peque˜na. Si en la base circula mayor o menor corriente entonces habr´a mayor o menor corriente en la salida del colector;
5.
Cuando la IC aumenta, el V C disminuye por la caida en RC ;
(2017) Jos´ e C. ”El transistor como aplificador”.
En principio IC e IE pueden considerarse muy parecidos, e IB resulta ser la resta entre ambas corrientes;
(2017) Luis B. ”Teor´ıa de circuitos”. (2017) Savant c. ”Dise˜ no electr´onico. Circuitos y Sistemas”.
Cuando IC aumenta e IE disminuye, entonces I B aumenta r´apidamente. Por otra parte, referente a los elementos que conforCynthia Maldonado Gonzalez
Bibliograf´ıa
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