Instituto Politécnico Nacional (IPN) Escuela Superior de Ingeniería Mecánica y Eléctrica (ESIME)
Practica 4 : Transistor bipolar
Nombre: Pablo Ortega Javier.
Grupo: 5CM4
Profesor: Reyes Aquino José
Materia: Dispositivos
TRANSISTOR BIPOLAR OBJETIVOS. 1. 2. 3. 4.
Identificar las terminales del transistor bipolar Comprobar el efecto transistor Medir la corriente de fuga y su variación con la temperatura temperatura Obtener y medir el voltaje de ruptura de la unión base-emisor y de la unión colector-base de un transistor bipolar de silicio de tecnología plana 5. Obtener las curvas características de entrada del transistor bipolar en configuración de emisor común. Observar y reportar su variación con la temperatura. Identificar las regiones de operación corte, saturación activa y directa. 6. Contestar y entregar cuestionario, hacer conclusiones y reportar los datos, graficas y mediciones llevadas a cabo durante la realización de esta práctica.
MATERIAL Y EQUIPO EMPLEADO -
Osciloscopio de doble trazo y puntas de prueba Generador de señales Multimetro analógico o digital Resistencias: Cuatro Cuatro de 1k y una de 100k Cuatro transistores transistores de silicio NPN BC547 Un transistor de germanio NPN AC127 Pinza de punta, de corte y desarmador Cables: 6 caimán-caimán, 6 caimán-banana, caimán-banana, 6 banana-banana banana-banana Protoboard 4 puntas de prueba de osciloscopio
DESARROLLO EXPERIMENTAL 1. Identificar las terminales del transistor bipolar. Existen diversas formas que nos permiten identificar las terminales de un transistor bipolar y si este es NPN o PNP, sin embargo, se recomienda que siempre se consulten las hojas de especificaciones que proporciona el fabricante y que nos indican cómo está ubicada las terminales de emisor, colector y base. En el laboratorio es conveniente comprobar que esta ubicación es correcta y que el dispositivo esté en buen estado. 2. Usar el multímetro en su función óhmetro y aplicar la prueba conocida como “prueba del amplificador” e identificar las terminales del transistor. a) Use un multímetro analógico en su función de óhmetro. Mida el efecto rectificante entre las uniones emisor-base y colector-base (para el caso de un transistor NPN, cuando se coloca el positivo de la fuente interna del óhmetro en la base (P) y el negativo en cualquiera de otras dos terminales deberá medirse baja resistencia, al invertir esta polaridad, la resistencia medida deberá ser alta (use la misma escala del multímetro
para la realización de estas pruebas). Entre las terminales de colector-emisor se observará alta resistencia sin importar como se coloque la polaridad en las terminales del óhmetro. Con estas mediciones se comprueba la existencia de las uniones rectificantes del transistor bipolar y el tipo de transistor NPN o PNP. Para distinguir la terminal de colector de la de emisor, será necesario aplicar la “prueba del amplificador”
o alguna otra que se proponga. 3. Otra forma que permite identificar las terminales de este dispositivo, es mediante el uso de un multímetro digital que nos permita medir la “beta” del transistor. Esto es; elegimos en el multímetro digital la función de medición de la beta, colocamos las terminales del transistor como creamos que están correctas y midamos las betas, cuando el dispositivo está correctamente colocado, la beta medida generalmente es grande (en la mayoría de estos casos mayor a 50), cuando no está bien colocado la beta que se mide es pequeña (en la mayoría de estos menos a 20 y en algunos multímetros en esta situación marca circuito abierto).
-
Comprobar el efecto transistor.
Se armó el circuito de la figura y se comprobó el “efecto transistor”, en el cual se hace evidente la
inyección de portadores de la región de emisor hasta la región de colector, debiendo estar la unión emisor-base polarizada directa, independientemente de la polarización que se presente en la unión colector-base. Se comprobó que el valor de la corriente medida en el colector, prácticamente es igual a la que se tiene en el emisor. IC= 0.9 A
-
Medir la corriente de fuga ICBO y su variación con la temperatura .
Al igual que en los diodos (uniones rectificantes) se tuvo la presencia de corriente de fuga (generadas por los portadores minoritarios), en los transistores bipolares también se presentan, de tal forma que si polarizamos inversamente en cualquier par de terminales del transistor, se podrán medir estas corrientes. Según el par de terminales que se elija, la corriente tendrá valores diferentes aunque del mismo orden de magnitud, es importante recordar que estas corrientes son muy pequeñas comparadas con las corrientes de operación del dispositivo y que además para el caso de silicio son mucho menores que para el germanio. En la expresión matemática que se una para la corriente de colector del transistor bipolar, se presenta el término ICBO=ICO, conocido como corriente de saturación inversa colector-base con el emisor abierto.
En la figura se propone un circuito para medir esta corriente y observar como varía con la temperatura. Para esta medición se usó el transistor de germanio AC127. ICBO=ICO= 0.001 A a temperatura ambiente ICBIO=ICOI= 0.003 A a temperatura mayor que la ambiente Para lograr que la temperatura fuera mayor a la del ambiente, se acercó un encendedor al transistor bipolar por cinco segundos.
-
Observar y medir el voltaje de ruptura en la unión base-emisor y de la unión colector-base de un transistor bipolar de tecnología plana
Se armó el circuito de la figura y se obtuvo la curva del diodo emisor-base, posteriormente se desconectó el emisor, se conectó el colector y se obtuvo la curva del diodo colector-base. Se usó señal senoidal con voltaje pico entre 10 y 12 V y frecuencia entre 60 y 1KHz.
VEB= 3.86 V VCB= 3.67 V VEC (conectado en emisor)= 0.47 V VEC (conectado en colector)= 3.3 V
-
Obtener las curvas características de entrada del transistor bipolar en configuración de emisor común. Observar la variación con el voltaje colector-emisor.
Se armó el circuito propuesto en la figura, el cual permite obtener el comportamiento de la unión emisor-base del transistor bipolar y se observó su variación con el voltaje de colector-emisor.
Valores medidos de corriente en la base para los diferentes voltajes de base-emisor Vbe(V) medido Vbc(V) medido Vbe(V) medido sobre la curva del sobre la curva del sobre la curva del diodo emisordiodo emisordiodo emisorbase cuando base cuando base cuando Vce=0V Vce=1.2V Vce=5V 3.578 V
4.056 V
0.364 V
6.6.1.-Armar el circuito de la figura 6.7 y obtener una a una las curvas características de salida del transistor bipolar en emisor-común, para diferentes corrientes en la base.
Figura 6.7.- a) Circuito propuesto para obtener las curvas características de salida del transistor bipolar. b) Ejemplo de las curvas características de salida del transistor bipolar ubicando las regiones de corte, saturación y activa directa. Reporte los valores medidos de corriente de colector para los valores de voltaje colector-emisor solicitados en la tabla 6.2, elija los valores adecuados para la corriente de base, tal que la IB1 haga que el transistor bipolar trabaje en la región de corte, los valores de IB2 y IB3 lo hagan trabajar en la región activa directa (de amplificación) y la corriente IB4 lo lleve a la región de saturación.
Tabla 6.2 Medir los valores de corriente de colector Ic (mA), para cada uno de los valores de voltaje colector-emisor abajo indicados (use la curva Corriente que se obtiene en el osciloscopio para cada uno de los diferentes en la base valores de la corriente de base). ( A )
IB =
Vce = 0
Vce = 2V
Vce = 4V
Vce = 6V
Vce=8V Vce=10V Vce=12V
0 mA
315mA
785mA
870mA
880mA
880mA
880mA
Figura 6.8.- Curva característica de salida en configuración de emisor-común para el transistor bipolar a dos diferentes temperaturas y considerando la corriente en la base constante. 6.6.3.- Usando el accesorio trazador de curvas para osciloscopio, tal como se indica en la figura 6.9, obtenga la familia de curvas características de salida del transistor bipolar, dibújelas en la figura 6.10.
Al ubicar el punto de referencia para nuestras curvas (0, 0), la primera curva corresponderá a la corriente de base cero, por lo que si elegimos incrementos de corriente de base de 10 A, entonces la segunda curva que se observara corresponderá a una corriente de base de 10 A, la tercera a una corriente de base de 20 A, la cuarta a una corriente de base 30 A y así sucesivamente. Usted puede elegir la corriente de base que sea adecuada a su dispositivo y que le permita observar las seis graficas que s pueden tener con el trazador de curvas.
Figura 6.9.- Forma en que se debe usar el accesorio trazador de curvas para el osciloscopio, para obtener la curva característica de salida del transistor bipolar.
Figura 6.10.- a) Ejemplo de una familia de curvas características de salida (V – I) del transistor bipolar. b) Familia de curvas características del transistor bipolar que se obtiene usando el trazador de curvas. CUESTIONARIO: 6.7.1.-Dibuje el diagrama de bandas de un transistor bipolar en el cual la unión emisor base este polarizada directamente y la unión colector base presente polarización cero.
6.7.2.- Determine el valor de para las lecturas que se realizaron en el circuito de la figura 6.2. Indica la relación entre las corrientes de colector y emisor, su valor es algo inferior a la unidad
6.7.3.- Escriba la expresión matemática que se usa para determinar el aumento de la corriente de fuga en una unión rectificante cuando aumenta la temperatura, hágalo tanto para el caso del silicio como para el germanio. R=Los transistores presentan ciertas corrientes de fuga, debidas al efecto de los portadores minoritarios. Una de las corrientes de fuga se designa (La letra significa intensidad de corriente, representa la unión colector-base, y indica que el emisor está abierto.) Esta corriente es la que atraviesa la unión colector-base en condiciones de polaridad inversa y con el terminal del emisor abierto. Otra corriente de fuga es ( significa intensidad de corriente, representa la unión colector-emisor, y indica que el emisor está abierto.) Esta corriente de fuga es la más intensa; es una forma amplificada de
Con el terminal de base abierto, toda corriente que se infiltre a través de la unión colector-base polarizada inversamente producirá sobre la unión base-emisor el mismo efecto que una corriente base aplicada externamente. Con el terminal de base abierto, la corriente de fuga no puede seguir otro camino. Esta fuga la amplifica el transistor como cualquier corriente de base:
En los transistores de silicio, las corrientes de fuga son muy débiles. Los transistores de germanio tienen unas corrientes de fuga mucho más intensas, lo que posiblemente se manifieste en una resistencia inversa elevada, pero no infinita.
6.7.4.-Defina que otras corrientes de fuga pueden obtenerse entre las terminales de un transistor bipolar e indique con que literales se conocen. R= 1) La tensión inversa colector-base con el emisor abierto (U CBO ). Suele ser elevada (de 20 a 300 voltios) y provoca una pequeña corriente de fugas (I CBO ).
2) La tensión inversa colector-emisor con la base abierta (V CEO ). También provoca una corriente de fugas (I CEO ).
6.7.5.-Proponga un circuito que permita obtener la corriente de fuga en la unión emisor base con el colector en corto circuito. 6.7.6.- ¿De qué orden es el voltaje de ruptura de voltaje colector en el transistor de silicio BC547? R=La VCES define la tensión máxima del colector, estando la base en cortocircuitada al emisor, antes de que la anchura de la región de transición alcance el emisor perforando la región de base.
Gráficamente, en la figura 1.7 se muestra la definición de ambas tensiones. El transistor BC547 tiene VCES=50 V, y es una de las tensiones máximas de alimentación.
6.7.7.-A partir de la tabla 6.2 obtenga las curvas características de salida del transistor bipolar en emisor común.
6.7.8.-Proponga el circuito equivalente de parámetros h para el transistor bipolar en emisor común y defina cada uno de los parámetros. R= El modelo híbrido o equivalente híbrido del transistor es un modelo circuital que combina
impedancias y admitancias para describir al dispositivo, de allí el nombre de híbrido.
La obtención de los parámetros híbridos involucrados dentro del modelo se hace en base a la teoría de cuadripolos o redes de dos puertos. La sustitución del símbolo BJT por su modelo híbrido durante el análisis en c.a. permite la obtención de ciertos valores de interés como son: La ganancia de voltaje, ganancia de corriente, impedancia de entrada y la impedancia de salida. Estos valores dependen de la frecuencia y el símbolo circuital por sí solo no considera este aspecto, de allí la utilidad del modelo híbrido quien si lo considera NOTA: Los parámetros h, se denominan parámetros híbridos y son componentes de un circuito equivalente de un circuito equivalente de pequeña señal que se describirá en breve. Los parámetros que relacionan las cuatro variables de denominan parámetros “h” debido a la palabra híbrido. El parámetro híbrido se seleccionó debido a la mezcla de variables “V e I” en
cada ecuación, ocasiona un conjunto híbrido de unidades de medición para los parámetros h Una red de dos puertos en general, se describe por el siguiente juego de ecuaciones: La variables involucradas dentro de la red son vi, ii, v0 e i0 y los parámetros que relacionan estas variables son los parámetros híbridos, h.
6.7.9.-A partir de las curvas características que se obtienen en el punto 6.7.7 obtenga los parámetros hoe, hfe para la gráfica que obtuvo con la corriente de Ib3 y un Vce=4V.
R=
6.7.10.-Para la familia de curvas que obtuvo con el trazador de curvas determine el valor de la hfe en los puntos en que Vce=4v y Vce=6v.
6.7.11.- Cuando la corriente en la base es cero, ¿cuánto debe valer la corriente de colector? R= Cero, debido a que la corriente de colector es proporcional a la corriente de base.
6.7.12.- Usando los datos de la tabla 6.1, obtenga las curvas características de entrada del transistor bipolar en emisor común.
6.7.13.- Determine los parámetros híbridos hie y hre usando las gráficas del punto 6.7.12, para una corriente de base de 40 A. R=
POLARIZACION, REGIONES DE OPERACIÓN Y CIRCUITOS REGULADORES CON TRANSISTORES BIPOLARES INTRODUCCION TEORICA TRANSISTORES DE UNION BIPOLAR El transistor de union bipolar esta formado por 3 capas de silicio (o de germanio) de gran pureza, a las cuales se han añadido pequeñas cantidades de boro (tipo p) o de fosforo (tipo n). El limire entre cada capa forma una union, que solo permite el flujo de corriente desde p hacia n. Las conexiones a cada capa se efectuan evaporando aluminio sobre la superficie. El revestimiento de dioxido de silicio protege las superficies no metalicas. Una pequeña corriente que pasa a traves de la union base-emisor genera una corriente entre 10 y 1000 veces supeior entre el conductor y el emisor. (Las flechas muestran una corriente positiva. No deben tomarse literalmente los nombres de las capas). El transistor de union tiene numerosas aplicaciones, que van desde los detectores electronicos sensibles hasta los amplificadores de alta fidelidad de gran potencia. Todos ellos dependen de esta amplificacion de corriente.
EQUIPO PROPORCIONADO POR EL LABORATORIO
Multimetro digital.
Fuente de voltaje c.d. (variable).
Material: 2 diodos transistores de silicio npn BC547. o o
2 resistencias de 2.2 KΩ, 2 de 1 KΩ, 100 KΩ, 4.7 KΩ, 330Ω, 220Ω, 100Ω, 820 KΩ, 880 Ω.
1 Transistor TIP 41.
1 diodo zener.
Desarrollo de la práctica Para el buen desarrollo experimental de esta práctica y la obtención de los objetivos de la misma, será requisito indispensable que el alumno presente por escrito, en forma concisa y breve: el análisis, funcionamiento, operación y comportamiento matemático de cada uno de los circuitos propuestos. El profesor deberá revisar que el alumno cumpla con la tarea previa marcada en el punto anterior, así como se indica en el desarrollo de esta práctica, de no satisfacer estas indicaciones el alumno
no tendrá derecho a quedarse en el área de laboratorio y se le considera como falta de asistencia al mismo.
1.- Medir los voltajes y corrientes (punto de operación) del circuito de polarización con divisor de voltaje independiente de beta para el transistor 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 independiente de la beta, el cual se muestra en la figura 7.1, medir los valores de voltaje y corriente que se solicitan en la tabla 7.1 y compararlos con los valores calculados teóricamente (el alumno antes de realizar esta práctica deberá haber calculado los valores de voltaje y los resultados deberán anotarse en la columna correspondiente a la tabla 7.1). 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 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 están independientes de la beta de polarización que sean independientes de la beta de polarización que sean independientes de la beta me polarización que sean independientes de la beta, como es el caso que nos atañe).
1.1.-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. Figura 7.1 circuito con divisor de voltaje independiente de beta.
Parámetro a medir
Valor teóricamente calculado
Valor medido en Valor medido en el laboratorio para el laboratorio para transistor 1 transistor 2
V CE (V)
11.7 v
10.24 v
8.95 v
V BE (V)
.592 v
0.583v
81mv
V CB (V)
11.17 v
9.67 v
8.15 v
I B (uA)
5.85uV
6uV
1Ma
I C (mA)
1.106.mA
1.12mA
3mA
IE (ma)
1.11mA
1.106mA
2mA
BETA
189
186
178
2.0.- 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. 2.1.- Armar el circuito de la figura 7.2 y variar el voltaje de la fuente V BB, para llevar el transistor a las diferentes regiones de operación ((Corte, activa directa y saturación), medir los valores de voltajes y corrientes (punto de operación) para las tres regiones de trabajo, llenar la tabla 7.2 en la que se ha indicado los valores aproximados de las corrientes del colector que se debe tener en la región de corte y voltaje de colector emisor para las regiones de saturación y activa directa.
Figura 7.2 Circuito propuesto para llevar 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. REGION DE OPERACIÓN
V CE (V)
V BE (V)
V CB (V)
IB (uA)
IC (mA)
REGION DE CORTE
15
1.74
1.25
0
0
REGION ACTIVA DIRECTA
14.9
6.73
6.25
1.766
1.77
REGION DE SATURACION
14.8
11.12
10.61
1.50
1.65
3.1.-Armar el circuito regulador de corriente con transistor bipolar que se muestra en la figura 7.3, realizar las mediciones de voltaje y corriente a la salida necesarios para llenar la tabla 7.3, ajustar el potenciómetro de 10 k, de tal manera que cuando la carga esté en corto circuito la corriente que se lea sea de 30 mA, la variación de la resistencia del potenciómetro entre cero y 10 k, permite que la corriente en el emisor del transistor (corriente regulada y por consecuencia en la carga “RL”, varíe entre 50 mA y 0.5 mA aproximadamente. Habiendo ajustado el potenciómetro de 10 k
al valor necesario para que la corriente y voltaje para las diferentes resistencias de carga y observar par a que valores de la “RL” se mantiene la regulación.
Figura 7.3 Circuito regulador de corriente con transistor bipolar. Valores de corriente y voltaje en la salida del regulador, medidos para diferentes valores de R L a una corriente regulada de 30 mA Valor de la resistencia de 1000 la carga voltaje(V) corriente (mA)
560
220
150
100
56
10
0
12.19
11.07
6.94
4.783
3.184
1.764
0.315
0.002
12.2
20.4
32
31.9
31.9
31.8
31.6
31.5
3.2.-Armar el circuito regulador de voltaje con transistores bipolares que se muestra en la figura 7.4, realizar las mediciones de voltaje y corriente, necesarias para llenar la tabla 7.4 ajustar el valor del potenciómetro 10 K para que el voltaje sea de 10 V, cuando la carga esté en circuito abierto (R L= infinito). La variación de la resistencia del potenciómetro entre cero y 10 K, permite que el voltaje de salida o voltaje regulado (en R L), varíe entre 6.7 y 13.72 V aproximadamente, habiendo ajustado el valor de la resistencia del potenciómetro de 10 K para que el voltaje regulado sea de 10 V, realizar los cambios de resistencia de carga y observar para que los valores de la “R L” se
mantiene la regulación
DESARROLLO Se armo el siguiente circuito:
SIMULACION Para el voltaje y la corriente en la resistencia de 100KΩ.
Para el voltaje y la corriente en la resistencia de 1KΩ.
Para el voltaje y la corriente en la resistencia de 4.7KΩ.
Para el voltaje y la corriente en la resistencia de 880 Ω.
Para el voltaje y la corriente en la resistencia de 330 Ω.
Para el voltaje y la corriente en la resistencia de 220 Ω.
Para el voltaje y la corriente en la resistencia de 100 Ω.
Para infinito.
MEDICIONES DE LA SIMULACION Valor de la resistencia
Infinito.
100 K
4.7 K
1K
880
330
220
100
Vs(V)
9.88V
9.88
9.88
9.87
9.87
9.86
9.86
9.83
I s(A)
0
98.83µ
.0021
.009
.0112
.023
.044
.098
de carga.
Para el reglador de voltaje de la figura 7.4, medimos los valores de resistencia de carga mínima y máxima se mantiene el voltaje a la salida prácticamente sin variar. Valores de corriente y voltaje en la salida prácticamente sin variar. Estos son los valores de corriente y voltaje en la salida del regulador de voltaje, medidos para distintas resistencias de carga en un voltaje de salida regulado de 10 V. Valor de la resistencia
Infinito.
100 K
4.7 K
1K
880
330
220
100
Vs(V)
9.98
9.98
9.98
9.96
9.93
9.9
9.85
9.63
I s(mA)
0
0
0
0.1
0.2
0.3
0.4
1
de carga.
4.0.- Reportamos los datos mediante estas graficas, y las mediciones se reportan en la tabla anterior. 12 10 8 Vs(v)
6
Is(mA) 4 2 0 infinito 10 k
4.7k
1k
560
330
220
100
CIRCUITO ARMADO
Variación de la resistencia del potenciómetro de entre 0 y 10 k, permite que el voltaje en la salida o voltaje regulado (en RL), varié entre 6.7 y 13.72 V, aproximadamente.
Voltaje y corriente cuando el valor en la resistencia es de 10KΩ.
Voltaje y corriente cuando el valor en la resistencia es de 100 Ω.
CONCLUSIONES Para el desarrollo de esta práctica en primer lugar fue necesario que revisáramos el valor de la de la beta de los transistores de prueba por lo que nos percatamos de que nuestros transistores equivalentes no eran npn, sino pnp por lo que el análisis como se indica en la introducción teórica lo hicimos conectando inversamente las fuentes con respecto a los circuitos de la practica (diseñados para npn). Habiendo visto lo anterior procedimos a iniciar el armado del primer circuito, el cual tenía la finalidad de mostrarnos que para esa configuración, las betas de los transistores son independientes. Al comparar las mediciones de la tabla 7.1 vemos que los valores tienen variaciones importantes y considerables, estos teóricamente deberían ser despreciables, sin embargo en la práctica suceden por diversos factores como el medio, la temperatura aunada a los posibles errores de paralaje humanos en las mediciones. A continuación hicimos el análisis para el segundo circuito propuesto cuyo propósito era el llevar el transistor a sus diferentes regiones (corte, saturación y activa directa) para poder así medir el punto de operación voltaje y corriente). Y pudimos observar que para las 3 regiones la corriente de colector era superior a la corriente de base excepto para la región de saturación que el efecto era inverso. También observamos que para los tres casos el voltaje registrado entre el colector y la base era mayor al registrado entre el emisor y el colector y muy superior en los casos de la región activa directa y de saturación. Para el tercer circuito que se trataba de un regulador de corriente y al hacer variar la resistencia de carga pudimos ver que la regulación se mantenía o por lo menos tenia variaciones muy pequeñas para los valores de 100, 5, y 10 ohm, es decir a medida de que las variaciones entre resistir y resistor se hacían más pequeñas la regulación se estandarizaba. Por último armamos el circuito regulador de voltaje, el cual pudimos observar que no era tan sensible como el regulador de corriente puesto que aunque las variaciones óhmicas de un resistor a otro fueran considerables la regulación se mantenía con un error del +-3% Así que en esta práctica pudimos comprender la manera de llevar un transistor a sus diferentes tipos de regiones, y observar su efectividad como regulador ya sea de corriente o de voltaje.
