Informe de laboratorio #3 Julián Camilo Núñez Guisao, Andres Camilo Montoya Facultad de ingeniería, Universidad de Antioquia Medellín, Colombia
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Resumen: Un transistor es un dispositivo electrónico de estado sólido que es capaz de variar su resistencia interna en función de una señal de entrada. Un transistor tiene tres terminales, y dependiendo del voltaje en cada uno de ellos el transistor se comporta como un switche o como un amplificador. Además es el dispositivo más usado en la electrónica ya que maneja grandes potencias y frecuencias elevadas.
Palabr as clave: Región, Región, corte, satur satur ación, ación, activa, un ión bipol ar, transistor, transistor, switche, amplif icador.
I.
Procedimiento
generado por dicha corriente, haciendo que la barra se convierta en un imán. El campo magnético producido por el imán activará el switche que se encuentra al otro lado del relé. El switche se puede abrir o cerrar dependiendo de cómo esté configurado (normalmente abierto o normalmente cerrado). Se debe tomar en cuenta una precaución con relé y es que cuando se desactiva la fuente que lo alimenta y se le deja de suministrar corriente al mismo, la bobina que se encuentra dentro del relevador queda cargada y ella procede a descargarse, lo que puede llegar a generar picos de corriente dentro de los otros componentes del circuito y podrían verse afectados. Para solucionar este problema se debe colocar un diodo en paralelo al relé. La imagen Fig. 1.1 muestra la configuración de un relevador.
1.1. Diferencias 2N3906:
entre
transistor
2N2222
y
transistor
La principal diferencia entre estos transistores es que el 2N2222 es un transistor NPN, el cual conduce corriente de colector a emisor, mientras que el 2N3906 es un transistor PNP y la corriente va de emisor a colector. El transistor 2N2222 presenta un factor de ganancia de corriente que va desde 35 hasta 100 (35, 40, 50, 75, 100) mientras que el transistor 2N3906 varía desde 30 a 100 (30, 60, 80, 100) lo cual implica que hay mayor flexibilidad a la hora de amplificar una corriente con el transistor 2N2222 porque tiene menos valores restringidos. 1.2. Relé
Un relevador o relé es un interruptor accionado por un electroimán. El relé está constituido por dos partes: la primera es un cable de cobre (bobina) enrollado en una barra de h ierro, y la segunda parte es un switche mecánico. Estas dos partes del relé no tienen ningún medio eléctrico por el cual comunicarse, por lo tanto la bobina y el switche pueden constituir dos circuitos totalmente independientes eléctricamente. La función del relé se da cuando se hace pasar corriente a través de la bobina, ésta magnetiza la barra por efecto del campo magnético
Fig. 1.1- Componentes dentro de un relé. http://www.dtic.upf.edu/~jlozano/interfaces/rly_diag.gif
Tomada
de
II. Simulación 2.1. Curvas características del transistor Para obtener las curvas características del transistor, se van a simular los circuitos 1 y 2 correspondientes a Fig. 2.1
para la fuente de l a base son 0V, 1V, 2V, 3V, 4V y 5V identificados con los colores: verde, rojo, azul oscuro, amarillo, violeta y azul claro correspondientemente.
Para observar mejor la imagen Fig. 2.2, se recomienda ir a la carpeta / Laboratorio 3/ Simulación 1/NPN. Región de corte:
Fig. 2.1- El circuito 1 corresponde a un transistor NPN y el circuito 2 a uno de configuración PNP.
Para poder obtener la curva característica del transistor en el circuito 1, se hizo un barrido DC para la fuente tomando valores desde 0 hasta 20, mientras se ponía a variar la fuente tomando los valores enteros desde el 0 hasta el 5. Para invocar un transistor BJT en P SPICE se debe especificar el modelo de transistor a utilizar, muy similar a un diodo. Se puede utilizar la librería Eval.lib para invocar un modelo en particular como el 2N2222, pero infortunadamente no se cuenta con dicha librería en el software; no obstante, se puede recurrir a la sentencia .MODEL para invocar un modelo más general de los transistores. Para este primer caso, las líneas de invocación del transistor son: Q1 3 2 0 NPNEST .MODEL NPNEST NPN El NETLIST correspondiente al circuito 1 de Fig. 2.1 se encuentra en la carpeta Laboratorio 3/Simulación 1/Simulacion1. La gráfica que corresponde a la curva característica del transistor NPN es la dada en Fig. 2.2
La línea verde donde el voltaje en la base es cero, se ve claramente que la corriente en el colector del transistor siempre será cero sin importar que tan grande sea el valor de la fuente del colector. En este caso se dice que el transistor se encuentra en la región de corte, donde el voltaje de base no es lo suficientemente grande para poner a operar el transistor y las junturas Base-Emisor y Base-Colector se encuentran en polarización inversa. El transistor se comporta como un circuito abierto, es decir, las corrientes de base, emisor y colector son iguales a cero. Los demás casos pasan por las regiones de saturación y activa que serán explicados a continuación. Región de saturación:
En la región de saturación, la corriente de la base es muy grande y el transistor se comporta como un switche cerrado, dejando pasar toda la corriente que pasa por el colector, las dos junturas Base-Emisor y Base-Colector se encuentran directamente polarizadas, lo cual implica que el voltaje en la base será siempre mayor a los voltajes en el colector y en el emisor. En este caso Otra característica importante, es que la caída de po tencial entre los terminales Colector-Emisor es pequeña, idealmente equivale a 0.2V. Región activa:
Cuando un transistor no está ni en región de corte ni en saturación, está en región activa. Esta es una región intermedia, donde se deja pasar una cierta cantidad de corriente que depende de la corriente de base y de un factor de ganancia que es suministrado por el fabricante. En la región activa, la corriente en la base es pequeña, y la juntura Base-Emisor se encuentra directamente polarizada mientras que la unión Base-Colector está en inversa. La relación entre las corrientes está dada por las ecuaciones (2.1) y (2.2).
Fig. 2.2- Curva característica del t ransistor para dife rentes valores de voltaje en la base mientras que varía la fuente del colector. Los valores
() ()
Esta región es la más importante si se q uiere utilizar el transistor como un amplificador de señal. Con todo lo anterior, se hace un gráfico donde se ilustran las tres regiones (Fig. 2.3).
El modelo PNP tiene las mismas características que el modelo NPN en cuanto a las regiones de operación siempre y cuando se alimente el transistor con fuentes de voltaje negativo, si se hace lo contrario, el PNP funcionará inversamente a como debería hacerlo. 2.2. Montaje del transistor con fuentes DC:
El circuito a simular es el que está dado en la gráfica Fig. 2.5
Fig. 2.3- Regiones de funcionamiento. Imagen http://webs.uvigo.es/mdgomez/DEI/Guias/tema5.pdf
tomada
de
En este caso, el transistor trabaja en región activa desde que el voltaje Colector-Emisor sea mayor a 1 V (ver hoja de datos del transistor 2N2222). Para el circuito 2 de Fig. 2.1 se hace un barrido DC para la fuente del colector entre 0 y -20 V, mientras se pone a variar la fuente de la base desde -5 h asta 0. Para poder invocar un transistor PNP en PSPICE, se hace un procedimiento muy similar al anterior, solo es cambiar en la sentencia .MODEL NPN por PNP. El NETLIST asociado se encuentra en la carpeta / Laboratorio 3/Simulación 1/Simulación1_2.
Fig. 2.5- Montaje con transistor NPN alimentado con señal DC.
Para el montaje de este circuito, simplemente se usa el modelo del transistor NPN utilizado en el punto anterior y se parametriza una resistencia de base, la cual tomará cinco valores diferentes (1K, 3K, 5K, 7K y 10K). Con los datos arrojados por el archivo .out, se hace una tabla donde se puede visualizar claramente la región de trabajo del transistor. Dicha tabla es la correspondiente a Fig. 2.6.
Al simular el archivo .cir, PSPICE muestra la gráfica Fig. 2.4. Rvar
Modo de operación
1K 3K 5K 7K 10K
1.5939 1.4208 1.2843 1.1738 1.0424
4.4034 6.0545 7.3435 8.3737 9.5722
0.7673 0.6005 0.4703 0.3663 0.2452
Activa Activa Activa Activa Activa
Fig. 2.6- Cambio de los voltajes en los terminales del transistor a medida que varía la resistencia de base.
Fig. 2.4- Curva característica para transistor PNP. Las líneas verde, roja, azul oscura, amarilla, violeta y azul clara corresponden a los casos donde la fuente de base equivale a -5V. -4V, -3V, -2V, -1V y 0V.
En todos los casos anteriores, el transistor se encuentra en la región activa puesto que el voltaje en el colector es mayor al voltaje en la base. 2.3. Montaje del transistor con fuente AC y condensadores:
El circuito a simular está dado en la gráfica Fig. 2.7
Fig. 2.8- Gráfica de voltajes de entrada (verde) y salida (Para cada valor de se toma un color diferente).
Para observar mejor la imagen Fig. 2.8, se recomienda al lector ver en Laboratorio 3/Simulación 3/Vi_Vo. Tal como se aprecia en Fig. 2.8 hay una ganancia importante en la salida con respecto a la señal de entrada. Por otro lado también hay un desfase entre las dos señales. Este desfase es medible desde la gráfica obtenida. Se señaló con un marcador en PSPICE la cantidad de tiempo justa que hay entre dos puntos comunes de ambas gráficas, este tiempo de desfase es de . Para observar mejor la ganancia de voltaje del sistema, realizará un análisis AC para graficar el diagrama de Bode de magnitud del sistema.
Fig. 2.7- Montaje con transistor, fuentes DC y AC, resistencias y capacitores.
El NETLIST correspondiente al circuito mostrado a Fig. 2.7 se encuentra en Laboratorio 3/Simulación 3/Simulacion3. Como no se especificó de cuanto debería ser la frecuencia de la fuente AC, se tomó un valor de 1KHz para que sea más coherente la comparación entre la teoría con la parte experimental. Como se puede apreciar, el montaje es muy parecido al realizado en el punto anterior, solo se le agregan tres condensadores, uno en cada terminal del transistor. La función de y es eliminar la parte DC de la señal en caso de que esta tenga un offset. Como se toman los mismos valores para del punto anterior, se puede pronosticar que el transistor siempre estará en región activa y por lo tanto debe amplificar la señal de entrada. Para comprobar esto, se toma un gráfico de PSPICE donde se compara la entrada con la salida. Ver Fig. 2.8
Fig. 2.9- Diagrama de Bode de magnitud para la ganancia de voltaje.
El NETLIST correspondiente a este análisis en AC se encuentra en la carpeta Laboratorio 3/Simulación 3/Simulación3_1. Tal como se aprecia en Fig. 2.9 la ganancia para la amplitud de voltaje debe ser al menos de 10 unidades. Para poder apreciar mejor la imagen se recomienda al lector ir a Laboratorio 3/Simulación 3/VG. Tal como lo fue para el voltaje, se espera que la corriente también tenga una ganancia en la salida porque el transistor se encuentra operando en la región activa. Para corroborar esto, se toma un gráfico de PSPICE superponiendo las dos señales. Ver Fig. 2.10
Robtenida 200
3.40V
8.78V
2.75V
Región de trabajo
Activa
Fig. 3.1- Datos obtenidos en el laboratorio.
Era de suponerse que el transistor se encontrara en región activa debido a que fue pedido mucho voltaje entre el colector y el emisor.
Fig. 2.10- Gráfica de corrientes de entrada (verde) y salida (Para cada valor de se toma un color diferente).
Para observar mejor el gráfico Fig. 2.10 se recomienda al lector ir a Laboratorio 3/Simulación 3/Ii_Io.
Estos datos obtenidos concuerdan muy bien con los datos obtenidos en la simulación ya q ue entre menor sea la resistencia de base, aumentará el voltaje en la base y en el emisor mientras disminuye el del colector; si se sigue disminuyendo la resistencia se llegará a la región de saturación. 3.2. Montaje del circuito de Fig. 2.7:
Al igual que el voltaje, la corriente tiene una amplificación importante y además un desfase, que bien, no es tan grande como el que hay entre las señales de tensión, pero que igualmente existe.
Se hizo el montaje en el laboratorio del circuito de la imagen Fig. 2.7 con las especificaciones requeridas, con , , la frecuencia de la fuente AC es igual a 1KHz y su amplitud pico a pico de 200mV.
El desfase temporal fue señalado con un marcador en la gráfica, este desfase es de aproximadamente .
El resultado visualizado en el osciloscopio está dado en Fig. 3.2
Para ver con más claridad la ganancia de la corriente del amplificador en función de la frecuencia, se hace el diagrama de Bode de magnitud. Ver Fig. 2.11
Fig. 3.2- Gráfica arrojada por el osciloscopio para el transistor en región activa.
Con la ayuda de los marcadores del osciloscopio se muestra el desfase temporal entre las dos señales, la cual es muy aproximada a la obtenida teóricamente. Fig. 2.11- Diagrama de Bode de magnitud para la corriente
Tal como se puede apreciar en Fig. 2.11 la ganancia de la corriente tiene al menos 16 unidades independientemente el valor que tome .
A simple vista se puede ver que el desfase es un poco más de radianes, ya que mientras la señal de entrada llega a un máximo, la de salida acaba de pasar por un mínimo. 3.3. Montaje con el relé:
III. Experimento 3.1. Montaje del circuito de Fig. 2.5 Se montó el circuito de la figura Fig. 2.5, se calibró el potenciómetro tal que la diferencia de voltaje Colector-Emisor fuera de 6V. El valor de la resistencia obtenido fue de 200Ω. Los datos de las mediciones están tabulados en Fig. 3.1
Se pide hallar la resistencia para el circuito de la figura Fig. 3.3
Una vez obtenido este resultado, se procedió con la implementación del circuito de Fig. 3.3 en la protoboard. La primera parte del circuito conformada por , el transistor, el diodo y la bobina del relé, funcionó perfectamente. Esto se pudo comprobar ya que el relé emitía un sonido que indicaba que se estaba cerrando un conector. A pesar de esto, el circuito que conformaba el bombillo y el switche del relé no funcionó debido a las malas conexiones entre la base del bombillo y el cable que iba al tomacorriente, e intentando solucionar estas conexiones, accidentalmente se ocasionaron dos cortos circuitos, al final la base del bombillo se quemó y no se contaba con otra de repuesto para intentarlo nuevamente. Fig. 3.3- Montaje con transistor en saturación y relé.
Para que el relé se active y cierre el circuito que encienda el bombillo, es necesario q ue circule corriente por él, para ello, se necesita que el transistor esté en región de saturación puesto que así se comportará como un circuito cerrado. Por comodidad se va a tomar la fuente . Como en la región de saturación la corriente de base no es despreciable, la ecuación de corrientes para el transistor está dada por:
Además se tiene que tomar un en este caso, este valor
será igual a .
Por medio de la ley de Ohm y recordando que en un transistor en región activa , se tiene que:
En región de saturación se cumple:
Despejando :
Por último, aplicando nuevamente la ley de Ohm se halla :
Ω
Para efectos prácticos se toma una resistencia de 2.2KΩ
Aunque el bombillo se quemó y toda la segunda parte del circuito sufrió el corto, la primera parte quedó intacta y tanto el transistor como el diodo seguían funcionando correctamente; esta es la ventaja de trabajar con dispositivos como relés, ya que él hace funcionar un circuito (generalmente un circuito de potencia) dependiendo del funcionamiento de otro, los dos circuitos son completamente independientes eléctricamente, por eso si se presentan accidentes como el ocurrido en la sesión del laboratorio, no habrán daños en toda la estructura general del sistema. IV. Conclusiones Hasta ahora, el transistor es el único dispositivo electrónico que sirve como switche o si se quiere, como amplificador de voltaje y de corriente, estas características propias de él lo hacen muy útil y puede ayudar a simplificar diseños muy extensos. La utilización del relé para trabajar con circuitos de potencia es imprescindible, ya que como se vio en el laboratorio, si ocurre algún accidente utilizando la señal alimentadora de 110V, los demás componentes del circuito no se verán afectados. Pero no solamente se pueden utilizar relés para este tipo de casos, hay dispositivos más sofisticados que pueden cumplir las mismas funciones tales como los optoacopladores, éstos básicamente se encargan de que el circuito de potencia se cierre utilizando medios ópticos (luz). En lo personal, no hay una mejor manera de controlar un circuito de potencia que ésta, ya que no hay forma de que la información fluya en los dos sentidos, sino en uno solo tal como si fuera luz que entra por los ojos. Si se desea ver el transistor como un switche digital, se tiene que notar una diferencia importante entre un transistor NPN y uno PNP, el primero de ellos se satura con un nivel de voltaje HIGH (alto) mientras que el otro, al ser su complemento funciona de manera opuesta, y para saturarlo se requiere un nivel de voltaje LOW (bajo). Con base en los transistores y tomándolos como switches digitales se pueden crear las compuertas lógicas, esto implica que los transistores son la base de la electrónica digital.
V.
Referencias
Introducción a transistores y sus regiones http://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2008/04/t ransistores.pdf El transistor y tipos de transistor http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor Regiones de trabajo del transistor y curva característica http://rabfis15.uco.es/transistoresweb/Tutorial_General/curvasc aracteristicas.html.