“POLARIZACIÓN REGIONES DE OPERACIÓN Y CIRCUITOS REGULADORES CON TRANSISTORES BIPOLARES” OBJETIVOS.
1. Medir los voltajes y corrientes (punto de operación) del circuito de polarización independientemente de la beta para el transistor bipolar y comparar estos valores con los calculados teóricamente. Observar, medir y reportar como se modifica el punto de operación cuando se usan transistores de diferente beta. 2. Observar y distinguir el comportamiento del transistor bipolar en sus tres regiones de operación, corte y saturación. Medir los voltajes y corrientes (punto de operación) en cada una de estas regiones. 3. Observar el comportamiento de los circuitos reguladores de corriente y voltaje con transistor bipolar. Medir y reportar los voltajes y las corrientes a la salida y obtener los rangos de variación de la resistencia de carga (
R L ), en que se conserva la regulación,
tanto para el regulador de corriente como para el de voltaje.
DESARROLLO EXPERIMENTAL. CONCEPTOS BÁSICOS.
Regiones operativas del transistor Región de corte. Un transistor esta en corte cuando la corriente del colector =corriente del emisor =0, (
I C =I E=0 ). En este caso el voltaje entre colector y el emisor del transistor es
el voltaje de alimentación del circuito. (Como no hay corriente circulando, no hay caída de voltaje). En este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0 (
I B=0 ).
Región de saturación. Un transistor está saturado cuando la corriente de colector = corriente de emisor = corriente máxima, (
I C =I E=I Maxima ). En este caso la magnitud de la corriente
depende del voltaje de alimentación del circuito y de las resistencias conectadas en el colector o el emisor o en ambos, ver la ley de Ohm. Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base es lo suficientemente grande como para inducir una corriente de colector β veces mas grande. (Recordar que
I C =β∗I B ).
Región activa. Cuando un transistor no está ni en su región de saturación ni en la región de corte entonces está en una región intermedia, la región activa. En esta región la corriente colector (
I C ) depende principalmente de la corriente base ( I B ), de β (ganancia de
corriente de un amplificador, es un dato del fabricante) y de las resistencias que hayan
conectadas en el colector y emisor. Esta región es la más importante si lo que se desea es utilizar el transistor como un amplificador. Configuraciones. Hay tres tipos de configuraciones típicas en los amplificadores con transistores, cada una de ellas con características especiales que las hacen mejor para cierto tipo de aplicación y se dice que el transistor no está conduciendo. Normalmente este caso se presenta cuando no hay corriente base (
I B=0 ).
Emisor Colector común Base común
Nota: Corriente de colector y corriente de emisor no son exactamente iguales, pero se toman como tal, debido a la pequeña diferencia que existe entre ellas, y que no afectan en casi nada a los circuitos hechos con transistores. MATERIAL.
Multímetro analógico y/o digital. Fuente de voltaje de C.D. (Variable). 2 Transistores de silicio NPN TIP41 o equivalente. 2 Diodos Zener de 5.6 V. 1 Diodo led rojo. 4 Transistores de silicio NPN BC547 o equivalente. 4 Resistencias de 1 KΩ a 0.5 W. 1 Resistencia de 100 KΩ a 0.5 W. 3 Resistencias de 2. 2KΩ a 0.5 W. 1 Resistencia de 47 KΩ a 0.5 W. 2 Resistencias de 4.7 KΩ a 0.5 W. 1 Resistencia 3.3 KΩ a 0.5 W. 1 Resistencia de 820 Ω a 0.5 W. 1 Resistencia de 10 KΩ a 0.5 W. 4 Resistencias de 100 Ω a 2 W. 2 Resistencias de 220 Ω a 2W. 2 Resistencias de 560 Ω a 2 W. 1 Resistencia de 56 Ω a 2 W. 1 Resistencia de 10 Ω a 2 W. 1 Resistencia de 330 Ω a 2 W. 1 Resistencia de 150 Ω a 2 W. 2 Potenciómetros de 10 KΩ a 2 W. Una pinza de punta. Una pinza de corte. 6 Cables caimán – caimán de 50 cm. 6 Cables caimán – banana de 50 cm. 6 Cables banana - banana de 50 cm. 4 Cables coaxiales que tengan en un extremo terminación bnc y en el otro caimanes.
Tablilla de conexiones (protoboard).
EXPERIMENTOS.
1. Es requisito que para antes de realizar la práctica el alumno presente por escrito y en forma concisa y breve los siguientes puntos. a) El análisis. b) El funcionamiento. c) La operación. d) El comportamiento matemático. De cada uno de los circuitos propuestos. El profesor deberá revisar que el alumno cumpla con este punto antes de entrar a laboratorio, así como que se presente con los circuitos correspondientes debidamente armados, de NO satisfacer estas indicaciones el alumno NO tendrá derecho a quedarse en el laboratorio y se le considera como falta al mismo. 2. Medir los voltajes y corrientes (punto de operación) del circuito de polarización con divisor de voltaje independientemente de su beta para el transistor bipolar y comparar estos valores con los calculados teóricamente. Observar, medir y reportar como se modifica el punto de operación cuando se usan transistores de diferente beta. Armar el circuito de polarización como circuito de polarización independientemente de la beta, el cual se muestra en la Fig. 1, medir los valores de voltaje y corriente que se solicitan en la Tabla 1 y compararlos con los valores calculados teóricamente. (El alumno antes de realizar esta práctica deberá haber calculado los valores de voltaje y corriente solicitados y los resultados deberán anotarse en la columna correspondiente de la Tabla 1). Estas mediciones se realizaran con dos transistores BC547 con el fin de comparar el punto de operación en cada caso y comprobar si efectivamente este circuito depende o no depende del valor de la beta que tenga el transistor (en los transistores bipolares aun teniendo el mismo número de fabricación; el valor de la beta no siempre es el mismo si no que varía de transistor a transistor, por esta razón en muchas aplicaciones es necesario trabajar con circuitos de polarización que sean independientes de la beta, como es el caso que nos atañe). Colocar el transistor 1 (con beta 1) y realizar las mediciones indicadas, luego quitar este y colocar el transistor 2 (con beta 2) y repetir las mediciones, llenar la tabla con estos valores.
Fig. 1. Circuito de polarización con divisor de voltaje independiente de la beta. Tabla 1.
Parámetro a medir
Valor calculado teóricamente 12
Valor medido para el transistor 1 11.84
Valor medido para el transistor 2 13.08
V BE [V]
0.7
0.67
0.64
V CB [V]
11.3
11.21
11.73
I B [µA]
3.3
3.52
3.4
IC
596
759
684
I E [µA]
598
689
700
BETA
180
192.38
198.57
V CE [V]
[µA]
Para el cálculo teórico, use el valor de la beta propuesta en el circuito de la Fig. 1 (β =180). Con los valores medidos de corriente y voltaje en el laboratorio, determine el valor real de la beta para cada transistor. 3. Observar y distinguir el comportamiento del transistor bipolar en sus tres regiones de operación corte, activa directa y saturación. Medir los voltajes y corrientes (Punto de operación) en cada una de estas regiones.
Armar el circuito de la Fig. 2. y variar el voltaje de la fuente
V BB , para llevar al transistor a
las diferentes regiones de operación (corte, activa directa y saturación), medir los valores de voltaje y corriente (punto de operación) para las tres regiones de trabajo, llenar la tabla 2, en la
que se han indicado los valores aproximados de la corriente de colector que se debe tener en la región de corte y el voltaje de colector - emisor para las regiones de saturación y activa directa.
Fig. 2. Circuito propuesto para llevar al transistor bipolar a trabajar en sus diferentes regiones de operación. El diodo LED se usa para observar visualmente estas regiones (el LED estará apagado cuando el transistor este en la región de corte, el LED presentara poca intensidad luminosa en la región activa directa y mayor intensidad luminosa cuando se encuentre en la región de saturación). Tabla 2.
Regiones de operación Corte Activa Directa Saturación
V CE [V] 14.99 5 2
V BE [V] 0.7 0.7 0.7
V CB [V] 10.05 3.4 0.15
I B [µA] 0.048 0.013 0.092
I C [µA] 12 4 15
CUESTIONARIO.
1. Analizar y obtener las ecuaciones del punto de operación para el circuito de polarización por retroalimentación de colector mostrado en la Fig. 3.
Fig. 3. Circuito de polarización por retroalimentación de voltaje para el transistor bipolar.
V CC −V CE −V RC =0 … … … a
−V CC +V RC +V BE=0 … … … b V RB +V CB =0 … … … c Despejando
IC =
V CE de la ecuación a y de la ecuación dos Ic, por lo tanto:
V CC −V RB−V BE =8.8 mA … … … 1 RC V CE =V CC −V RC =6.19V … … … 2
2. Analizar y obtener las ecuaciones del punto de operación para el circuito de polarización fija de emisor común mostrado en la Fig. 4.
Fig. 4. Circuito de polarización fija de emisor común para el transistor bipolar.
−V CC +V CE +V RC =0 … … … 1 −V RC −V CB +V RB =0 … … … 2
V RB +V BE−V CC =0 … … … 3 I C =4.6 mA V CE =6. 3. Haga un análisis comparativo de los puntos de operación para los circuitos de polarización de las Fig. 3 y 4, y del circuito de polarización independiente de la beta ¿Cuál de ellos es más usado y por qué? El análisis comparativo que se da más es el divisor de voltaje ya que este no depende de beta, por lo que el valor de los resistores es mas exacto, ya que se está calculando directamente con el valor de la fuente de alimentación y no con beta, ya que beta es un valor variante. Con esto es más estable el comportamiento del transistor llevando a cabo esta polarización. 4. Cuando la corriente de base es cero. ¿Cómo es la corriente de colector del transistor bipolar? La corriente que circula a través del colector es igual a cero, ya que no hay un flujo de corriente que este circulando a través del transistor.
5. Dibuje la recta de carga en el plano
V CE −I C
y ubique los puntos de operación de corte,
saturación y activa directa para el circuito de la Fig. 2, use los datos de la Tabla 2. 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Corte
Activa Directa
Saturación
6. Anote sus conclusiones. Al llevar a cabo esta práctica se pudo ver el comportamiento de los voltajes y de las corrientes a través del transistor, viendo así cuales sus puntos de operación de los
transistores. Además vimos el cómo se compota el transistor en cada una de sus partes tanto del colector, base y emisor, viendo así tanto sus regiones de operación, recorte y saturación de estos. Como también ver el comportamiento de los circuitos reguladores de corriente y voltaje con el transistor bipolar, llevando a cabo algunas mediciones de corriente y de voltaje de salida. 7. Anote su bibliografía. Robert L. Boylestad, Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos, 8va Ed, Pearson. Thomas L. Floyd, Dispositivos Electrónicos, 8va Ed, Pearson. A.L. Albert, Electrónica y Dispositivos Electrónico, 3ra Ed. Reverte.
