Guía Laboratorio Dispositivos y Componentes Electrónicos 2017A

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL CALLAO FACULTAD DE INGENIERÍA ELÍCTRICA Y ELECTRÓNICA ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA ELECTRÓNICA “AÑO DEL BUEN SERVICIO AL CIUDADANO”

LABORATORIO DE DISPOSITIVOS Y COMPONENTES ELECTRÓNICOS

Ing. Luis Leoncio Figueroa Santos

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INDICE: • • • • •

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PRÁCTICA #1: CARACTERIZACIÓN DEL DIODO SEMICONDUCTOR SEMICONDUCTOR PRÁCTICA #2: ANÁLISIS DE CIRCUITOS CIRCUITOS CON DIODOS PRÁCTICA #3: CIRCUITOS RECORTADORES DE VOLTAJE PRÁCTICA #4: REGULADOR DE VOLTAJE CON DIODO D IODO ZENER PRÁCTICA #5: FUENTE DE ALIMENTACIÓN LINEAL CON REGULADORES DE VOLTAJE DE CIRCUITO INTEGRADO PRÁCTICA #6: POLARIZACIÓN FIJA Y ESTABILIZADA DE EMISOR CON BJT PRÁCTICA #7: POLARIZACIÓN FIJA DEL JFET PRÁCTICA #8: CURVA I D CONTRA VGS, AUTOPOLARIZACIÓN AUTOPOLARIZACIÓN Y DIVISOR DE VOLTAJE PRÁCTICA #9: TRANSISTOR JFET COMO AMPLIFICADOR PRÁCTICA #10: CIRCUITO MOSFET COMO TEMPORIZADOR PRÁCTICA #11: CIRCUITOS BÁSICOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES


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PRÁCTICA #1 CARACTERIZACIÓN DEL DIODO SEMICONDUCTOR Objetivo: Obtener experimentalmente la curva característica I D(VD) de los diodos de unión p-n 1N4001 y 1N4003 Materiales y Equipos: 1 fuente de voltaje CD 1 voltímetro 1 amperímetro 1 diodo 1N4001 1 diodo 1N4003 1 resistencia de 1 KOhm • • • • • •

Procedimiento: 1) Armar el siguiente circuito (para valores positivos V D , se invierte la polarización de la fuente de CD).

2) Realizar las siguientes mediciones y calcular la resistencia interna del diodo. VD(Volts) ID(mA) RD(Ohms) -1 -0.9 -0.8 -0.7 -0.6 -0.5 -0.4 -0.3


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PRÁCTICA #2 ANÁLISIS DE CIRCUITOS CON DIODOS Objetivo: Analizar diversos circuitos eléctricos que contengan diodos semiconductores de estado sólido. Materiales y Equipos: 1 fuente de voltaje 2 multímetros 1 amperímetro Diodos 1N4001 Resistencia de 1 KOhms • • • • •

Procedimiento: 1) Calcular y medir ID, VD, IR y VR para el siguiente circuito. Explique que sucede con el diodo.

2) Posteriormente reemplace la fuente de 0.3V por una de 5V, calcule y mida de nuevo I D, VD, IR y VR para el siguiente circuito. Explique que sucede con el diodo.

3) Arme el siguiente circuito, calcule y mida I D1, ID2, VD1, VD2 y VR. Explique que sucede con los diodos. Ing. Luis Leoncio Figueroa Santos

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4) Conecte el siguiente circuito, calcule y mida I D1, ID2, VD1, VD2 y VR. Explique que sucede con los diodos.

5) Ahora conecte el siguiente circuito, calcule y mida I D1, ID2, VD1, VD2 y VR e IR. Explique que sucede con los diodos.


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PRÁCTICA #3 CIRCUITOS RECORTADORES DE VOLTAJE Objetivo: Obtener experimentalmente la forma de onda de diferentes circuitos recortadores de voltaje Materiales y Equipos: 1 fuente de voltaje CD 1 generador de funciones 1 osciloscopio Diodos 1N4001 1 resistencia de 2 KOhms • • • • •

Procedimiento: 1) Armar los siguientes circuitos y aplicar una onda senoidal con 4 Vp de amplitud y 60 Hz de frecuencia. Medir la forma de onda de entrada y salida de os circuitos y tomar una fotografía a cada una de las formas de onda. Medir el tiempo de cada semiciclo obtenido y la amplitud de las señales.


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Nota: Simular todos los circuitos recortadores de voltaje vistos en clase y anexarlo al reporte de esta práctica.


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PRÁCTICA #4 REGULADOR DE VOLTAJE CON DIODO ZENER Objetivo: Diseñar un circuito regulador de voltaje a 5V y 12V utilizando un diodo Zener y considerando un voltaje de entrada no regulado de 30V. Materiales y Equipos: 1 fuente de voltaje CD (6v a 30V) 1 diodo zener de 5V y 12V 1 multímetro Resistencias • • • •

Procedimiento: Utilizar la siguiente configuración para el diseño

1) Realizar los cálculos pertinentes de R, R L y demostrar matemáticamente que las resistencias y el diodo Zener no se sobrecalentarán, ni dañarán. 2) Utilice resistencias de ½ W. 3) La potencia máxima del diodo Zener (Pzm) se deberá obtener de la hoja de datos (datasheet) del fabricante del dispositivo. 4) Anexar los cálculos de V R, IR, PR, VRL, IRL, PRL, Iz, Pz. 5) Realizar los pasos anteriores utilizando un diodo Zener con Vz = 12V. 6) Simular los circuitos reguladores de voltaje obtenidos. 7) Desarrolle un programa computacional en ambiente gráfico y amigable para el usuario (Matlab o Labview) para realizar análisis y diseño de circuitos reguladores de voltaje. El programa debe mostrar el esquema del circuito regulador de voltaje y permitir introducir los datos al lado de cada uno de los componentes, deberá desplegar los resultados de las variables del circuito a un lado del esquema eléctrico.


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PRÁCTICA #5 FUENTE DE ALIMENTACIÓN LINEAL CON REGULADORES DE VOLTAJE DE CIRCUITO INTEGRADO Objetivo: Diseñar y construir una fuente de alimentación lineal con regulador de voltaje de +5V, -5V, +12V, -12V y voltaje ajustable con capacidad máxima de 3 Amperes. Características de la fuente de voltaje a diseñar y construir: - Entrada de voltaje de 127 Vac - Corriente máxima de salida de 1 A - Voltajes de salida 5 Vcd, 12 Vcd, -12 Vcd y voltaje ajustable (variable) - Construir en circuito impreso (PCB) - Incluir switch de encendido/apagado (on/off) - Bornes debidamente identificados con el voltaje de salida - Fusible con portafusible - Indicador de encendido - Carcaza para la fuente - Voltímetro analógico (aguja) para indicar el voltaje de salida (este se deberá seleccionar por un switch deslizable) Nota: La fuente deberá suministrar los voltajes al mismo tiempo (5 Vcd, 12 Vcd, -12 Vcd y ajustable). El voltímetro solamente mostrará el voltaje (positivo) seleccionado mediante el switch deslizable. Materiales y Equipos: 1 transformador de voltaje 127 Vac – 48 Vac de 3A. 1 voltímetro analógico (aguja) para fuente. 1 puente diodo de 3ª. 1 capacitor de 4700 uF a 96V. 1 regulador de voltaje 7805,7812, 7912 y LM317. 1 fusible 3ª. 1 porta fusible de chasis. 1 switch (con indicador de encendido) 1 cable eléctrico de 1.5m con clavija. 6 bornes para los voltajes de salida. 1 carcaza para fuente de voltaje. • • • • • • • • • • •

Procedimiento: Investigar las diferentes configuraciones de fuentes de voltaje lineal con regulador de voltaje de C.I. Ing. Luis Leoncio Figueroa Santos

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Seleccionar los componentes eléctricos y electrónicos a utilizar. Analizar y diseñar el circuito de la fuente de voltaje. Armar el circuito y probarlo. Calcular y medir los siguientes parámetros de la fuente: Voltaje de rizo, Porcentaje de rizo de señal rectificada, Porcentaje de regulación de voltaje. -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 . Graficar en MATLAB I D (VD) medidos. . Evaluar la ecuación en MATLAB del diodo

 =  (  − 1) Donde: IS = Corriente de saturación inversa VD = Voltaje en las terminales del diodo T = Temperatura en grados Kelvin K = 11600/n n = 1 ; para diodos de Germanio n = 2 ; para diodos de Silicio . Graficar los valores calculados de I D y realizar una comparación con los valores medidos experimentalmente.


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PRÁCTICA #6 POLARIZACIÓN FIJA Y ESTABILIZADA DE EMISOR CON BJT Objetivo: Analizar y diseñar un circuito con POLARIZACIÓN FIJA con BJT y uno con POLARIZACIÓN ESTABILIZADA DE EMISOR y comprobar experimentalmente los resultados obtenidos. Materiales y Equipos: 1 fuente de voltaje CD. 1 transistor 2N2222A. 1 amperímetro. 1 voltímetro. Varias resistencias. • • • • •

Procedimiento: 1) Analizar el siguiente circuito de polarización fija para calcular: I BQ , I CQ , V CEQ , V BC, verificar (demostrar) si el circuito amplifica, y calcular la ganancia del amplificador con los niveles de voltaje (C.A.) obtenidos a la entrada y salida del circuito.

2) Medir experimentalmente I BQ , ICQ , VCEQ , VBC y comparar los resultados con los datos calculados. Las mediciones de estas variables son únicamente con el V CC aplicado y sin señal de entrada. 3) Diseñe un amplificador con polarización fija, con V CC = 12V, VCEQ = 6V, ICQ = 50Ma, utilice el transistor 2N22A. Una vez diseñado aplicar una señal senoidal de 3KHz y 300mV pico. Calcular la ganancia y tomar una fotografía a la señal de entrada y salida.


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4) Diseño de un amplificador con polarización estabilizada de emisor. Calcule los valores requeridos de V CC, Rc, Rb y Re del siguiente circuito. Para tener un V CEQ = 8V, ICQ =100mA. Utilice el transistor 2N2222A. Una vez diseñado aplicar una señal senoidal de 3KHz y 300mV pico. Calcular la ganancia y tomar fotografía a la señal de entrada y salida.

Indicar cuál de los tres circuitos tiene mayor ganancia. Justifique matemáticamente su respuesta.


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PRÁCTICA #7 POLARIZACIÓN FIJA DEL JFET Objetivos: Mediante el análisis matemático y de simulación, familiarizar al estudiante con el comportamiento del transistor JFET en corriente directa. Introducción: El transistor FET es un dispositivo controlado por el voltaje y la corriente I D está en función del voltaje VGS aplicado a la entrada. La construcción básica del JFET canal N se muestra en la figura 2.1. La mayor parte de la estructura es de material tipo N en que forma el canal entre las capas interiores del material tipo P.

Figura 2.1 Construcción básica del JFET canal N El voltaje de la compuerta V GS es el voltaje que controla al JFET. El JFET es frecuentemente utilizado como interruptor. Materiales y Software: • • • •

SPICE, LTspice o Proteus Calculadora Práctica impresa Bolígrafo

Procedimiento: Armar el circuito de la figura 2.2 y calcular V GSQ , IDQ , VDS, VD, VG, VS por el método matemático y por medio de un simulador de circuitos (Anexar pantallas con explicación).


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Figura 2.2 Circuito del JFET de canal N de polarización fija


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PRÁCTICA #8 CURVA ID CONTRA VGS, AUTOPOLARIZACIÓN Y DIVISOR DE VOLTAJE Objetivos: En esta práctica se pretende construir el circuito que está diseñado para obtener la curva de la ID contra el VGS. Introducción: La polarización del JFET SE REALIZA MEDIANTE TENSIÓN CONTINUA y consiste en prepararlo para que en circuito, en el cual se le quiere utilizar, a través del JFET circule una cantidad de corriente ID por el drenaje, y a su vez obtenga una tensión entre en drenaje y la fuente V DS para esa cantidad de corriente I D, a estos de le llama obtener el punto de operación o punto Q. La corriente I D va depender de la tensión compuerta fuente V GS que exista en la malla de entrada, la VDS DEPENDERÁ de la malla de salida del circuito. En este tipo de polarización solamente se necesita una fuente de alimentación, en la figura 3.1 se muestra este tipo de arreglo para un JFET de canal N, es muy similar para el caso del JFET de canal P, con la diferencia de que hay que invertir las polaridades.

Figura 3.1 Configuración de auto polarización del circuito JFET de canal N Material: • • • • •

Protoboard Transistor 2N5457 Resistencia de diferente valores Alambre de centro sólido del número 18 o 20 Regulador DC


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Procedimiento: Construyan de forma física y utilizando un simulador de circuitos, las redes de las figuras 3.2 y 3.3, pero antes contesten las siguientes preguntas: 1. 2. 3. 4.

forma de la curva I D contra VGS forma de la curva I D contra VDS ¿Qué es voltaje de corte de compuerta a fuente (V GS(off)? ¿Qué es voltaje de estrangulación (V P)?

Consideren los siguientes aspectos: a) El VGS es variable b) Llenen la tabla 3.1 y grafiquen para la figura 3.2

Figura 3.2 Circuito del JFET de canal N para obtener la curva I D contra VGS

VGS -1.8 -1.6 -1.4 -1.2 -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 ID Tabla 3.1 Valores del circuito JFET de canal N para obtener la curva ID contra VGS

Figura 3.3 Circuito de auto polarización del JFET de canal N. Nota: R G = 100 MΩ Ing. Luis Leoncio Figueroa Santos

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De la figura 3.3, obtenga lo siguiente: a) cálculos b) gráficas c) valores de las resistencias d) mida los voltajes en las terminales de compuerta, fuente y drenaje. e) modifique el circuito anterior, polarizándolo por medio de divisor de voltaje y realice los cálculos.


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PRÁCTICA #9 TRANSISTOR JFET COMO AMPLIFICADOR Objetivos: En esta práctica se pretende dar una visión general del transistor de efecto de campo de unión, estudiar sus parámetros característicos y sus zonas de funcionamiento; y finalmente, utilizarlo en una configuración de amplificador para poder analizar las ventajas e inconvenientes que presentan frente a los transistores bipolares. Introducción: En general, existen dos tipos de transistores de efecto de campo (FET), utilizados en circuitos integrados analógicos: el transistor FET de unión (JFET) y el transistor FET de unión de metal óxido – semiconductor (MOSFET). Los circuitos electrónicos que utilizan transistores FETs son generalmente más costosos que sus análogos bipolares, sin embargo, presentan una serie de características que mejoran sus prestaciones y que justifican su utilización, como por ejemplo, el hecho de que presenten unas altas impedancias de entrada. Esta práctica se centrará en la caracterización y utilización como amplificador del JFET. Un transistor JFET es un dispositivo de tres terminales: compuerta (G), fuente (S) y drenaje (D). La compuerta es el electrodo de control y el voltaje aplicado a ésta modula o controla la corriente eléctrica que circula entre la fuente y el drenaje. El semiconductor que une los terminales de la fuente y drenaje constituyen lo que se conoce como canal del dispositivo, y en función de que éste sea tipo P o tipo N, dará lugar a transistores JFET de canal P o JFET de canal N, respectivamente. Materiales: • • • • • • • •

Protoboard Resistencias de diferentes valores Capacitores de diferentes valores Alambre de centro sólido del número 18 o 20 y regulador DC Transistor BF245C, BF245B, BF245A, 2N4220A, MPF102, NTE133 0 112-ND Multímetro Fuente de alimentación DC Osciloscopio

Procedimiento: En el desarrollo de la práctica se va trabajar con el transistor JFET de canal N BF245C, cuyas características deberán investigar en la hoja del fabricante. En primer lugar, se obtendrán los parámetros característicos I DSS y VP del JFET y que determinará su funcionamiento; y a continuación, se utilizará como amplificador en configuración de fuente común.


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1.- caracterización experimental del jfet y utilización como aplificador: a) Medida de la corriente I DSS En la introducción teórica se ha definido la corriente I DSS como la corriente que circula por el drenaje cuando VGS = 0V. Para medirla, monte en el protoboard el circuito que se muestra en la figura 4.1 (teniendo especial cuidado del patillaje del BF245C) y mida la corriente de drenaje a partir de la caída de tensión en la resistencia R D. Esta corriente medida es I DSS, que es característica del JFET. Anótela y refleje el valor medido en el reporte de la práctica.

Figura 4.1 Montaje del JFET utilizado para la medida de la corriente I DSS y para la obtención del voltaje de pinch-off (VP) b) Obtención del voltaje de pinch-off (V P) Monte ahora en el protoboard el circuito de la figura 4.2. Una vez polarizado el circuito podrá medir la corriente del drenaje I D y calcular el voltaje V P tomando I=0. Para este cálculo deberá de hacer uso del valor de I DSS obtenido en el apartado anterior. Una vez calculado V P, anótelo y refléjelo en el reporte de la práctica. Es importante recordar que ya que el transistor JFET BF245C es un transistor de canal N, el voltaje V P será negativo. Finalmente, compare los resultados obtenidos experimentalmente de I DSS y VP con los proporcionados por el fabricante en la hoja de características.

Figura 4.2 Montaje del JFET utilizado para la medida de la corriente I DSS y para la obtención del voltaje de pinch-off (VP) Ing. Luis Leoncio Figueroa Santos

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c) Utilización del JFET como amplificador Primeramente, monte en el protoboard el circuito de la figura 4.3, donde se muestra el esquema de un circuito amplificador basado en JFET en configuración de fuente común. Alimente el circuito adecuadamente y excite el circuito con una señal de entrada sinusoidal de frecuencia 8KHz y 0.2V de amplitud. Visualice con el canal I del osciloscopio la señal a la entrada del circuito y con el canal II la señal de salida del circuito y refleje dicha medida en el reporte de la práctica. Calcule la ganancia en tensión del circuito A V=V0/Vi para cada una de las frecuencias de la tabla 4.1, y represente en el reporte de la práctica la gráfica de la ganancia de tensión en función de la frecuencia. Utilice escala logarítmica en el eje de las abscisas (eje X) para poder representar correctamente todos los valores de frecuencias.

Figura 4.3 Montaje del JFET como amplificador en configuración de fuente común Frecuencia 100 220 600 1.2K 3.2K 8K 20K 50K 100K 220K 600K 1.2M 3M AV=V0/Vi Tabla 4.1 Ganancia en tensión del circuito amplificador en función de frecuencia Repita la medida de la ganancia del circuito amplificador en función de la frecuencia (tabla 4.1), pero eliminando el circuito de la figura 4.3 el capacitor C S. Represente esta nueva ganancia en función de la frecuencia en la tabla 4.2 Frecuencia 100 220 600 1.2K 3.2K 8K 20K 50K 100K 220K 600K 1.2M 3M AV=V0/Vi Tabla 4.2 Ganancia en tensión del circuito amplificador en función de frecuencia, sin el capacitor CS 2.- Caracterización mediante simulación SPICE del circuito amplificador JFET: Finalmente, simule mediante el programa SPICE el comportamiento del circuito amplificador con JFET de la figura 4.3. Realice las simulaciones tanto para el circuito con el capacitor C S y sin este. El modelo que deberá utilizar para el tranasistor BF245C será el siguiente: .model BF245C NJF


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Analice la polarización de los dos circuitos, realice un análisis AC para calcular las ganancias en tensión de los circuitos y realice un análisis transitorio para visualizar las formas de onda a la entrada y a la salida del amplificador. En el reporte de la práctica deberá entregar los listados de los ficheros, el resultado de los puntos de polarización de los circuitos, las curvas de ganancia en tensión en función de la frecuencia, y un análisis transitorio de cada circuito, visualizando las señales a la entrada y a la salida del mismo, tomando como señal de entrada una onda sinusoidal de frecuencia 8KHz y 0.2V de amplitud.


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PRÁCTICA #10 CIRCUITO MOSFET COMO TEMPORIZADOR Objetivos: En esta práctica se pretende dar una visión general del transistor de efecto de campo de metal óxido semiconductor, estudiar sus parámetros característicos, su estructura y su comportamiento como interruptor/temporizador controlado por tensión, donde el voltaje aplicado a la compuerta permite hacer que fluya o no corriente entre el drenaje y la fuente. Introducción: Un transistor MOSFET conduce corriente eléctrica entre dos patillas cuando aplicamos tensión en la otra patilla. Es un interruptor que se activa por tensión. Es un transistor que conduce o no conduce la corriente, en el que se utiliza un campo el éctrico para controlar su conducción y que su dieléctrico es un metal de óxido. Esta práctica se centrará en la caracterización y utilización como interruptor del MOSFET. Un transistor MOSFET es un dispositivo de tres terminales: compuerta (G), fuente (S) => Entrada y drenaje (D) => Salida. El MOSFET controla el paso de la corriente entre una entrada o terminal llamada fuente (S) y una salida o terminal llamada drenaje (D), mediante la aplicación de una tensión (con un valor mínimo llamada tensión umbral) en el terminal llamado compuerta (G). Es un interruptor controlado por tensión. Al aplicar tensión conduce y cuando no hay tensión en la compuerta no conduce. En la figura 5.1, se muestran los símbolos para los transistores de canal N y de canal P. El movimiento de carga se produce exclusivamente por la existencia de campos eléctricos en el interior del dispositivo.

Figura 5.1 Símbolos para los MOSFET canal N y canal P


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Materiales: 7805 Pulsador o interruptor Potenciómetro 350 KOhms MOSFET 2n7000 Capacitor 1000Uf LED Resistencia 330 Ohms Alambre de centro sólido del número 18 o 20 Regulador DC Multímetro Fuente de alimentación o batería de 9V • • • • • • • • • • •

Procedimiento: Construyan el circuito de la figura 5.2, el cual se va a comportar como interruptor, pero al girar la perilla del potenciómetro el LED se va apagar rápidamente o lentamente por lo que va funcionar como un temporizador.

Figura 5.2 Montaje del MOSFET canal N como interruptor


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PRÁCTICA #11 CIRCUITOS BÁSICOS CON AMPLIFICADORES OPERACIONALES El presente experimento de laboratorio se realizará con circuitos básicos que son ampliamente utilizados en diversas aplicaciones tanto en circuitos amplificadores como en los circuitos transformadores de forma de onda y en instrumentación como comparadores de señales. También nos muestra que los Amplificadores Operacionales a pesar de ser Circuitos Integrados lineales se emplean en amplificadores no lineales. Materiales y equipos: • • • • • • •

Amplificador Operacional LM741. Fotodiodo BPW96 o equivalente. Generador de Audio. Fuente Regulada de doble polaridad. Osciloscopio de doble trazo. Resistencias que se indican en los circuitos. Multímetro.

1ra Parte: Objetivos: - Montaje de circuitos sencillos con operacionales: amplificador inversor y amplificador no inversor. - Efectos de la saturación. Circuito 1: Amplificador Inversor Empleando el amplificador operacional LM741 realizar el siguiente circuito:

Se pide: - Fijar con el generador de funciones una señal Vi senoidal de 0,5 V pico y frecuencia 5 KHz.


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- Observar la forma de onda de salida V0. - Subir la tensión de entrada hasta 3V de pico y medir la tensión de salida. ¿Qué sucede? Circuito 2: Amplificador No Inversor Realizar el siguiente circuito:

- Seguir los mismos pasos que en el circuito anterior.

Circuitos Comparadores sin Histéresis y con Histéresis Objetivos: - Medida de nivel de luz mediante un Fotodiodo. - Montaje de un comparador con histéresis. Circuito 3: Sensor de Luz mediante Fotodiodo Realizar el siguiente circuito para medida del nivel de luz:

Verificar el correcto funcionamiento del circuito mediante el osciloscopio.


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Circuito 4: Comparador (sin histéresis). En base al circuito anterior realizar el siguiente montaje.

Se pide: - Comprobar con el osciloscopio la reacción de la señal de salida V0 a los cambios de iluminación ambiente. Circuito 5: Comparador con histéresis. En base al circuito anterior realizar el siguiente montaje (sólo es precioso añadir una resistencia):

Se pide: - Comprobar con el osciloscopio la reacción de la señal de salida V0 a los cambios de iluminación ambiente. - ¿Qué diferencias se observan respecto al circuito anterior?


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Guía Laboratorio Dispositivos y Componentes Electrónicos 2017A

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