ELECTRÓNICA BÁSICA INFORME DE LA PRÁCTICA DE TRANSISTORES
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CONTENIDO LISTA DE FIGURAS Nombre
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Figura 1 Ejercicio 4.1 Circuito de polarización fija. Figura 1.2 EJERCICIO 4.1. Circuito de polarización fija. Figura 2 EJERCICIO 4.4. Circuito de polarización establecido en el emisordel ejercicio 4.2.
Figura 3 EJERCICIO 4.7. Circuito de beta. Figura 3.2 EJERCICIO 4.7. Circuito de beta.
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IDICE TEMÁTICO
Nombre del tema
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1.- INTRODUCCIÓN
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2.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
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3.-OBJETIVO
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4.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS
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5.- DESARROLLO TEÓRICO
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6.- DESARROLLO EXPERIMENTAL
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7.- CONCLUSIONES
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8.- REFERENCIAS
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9.- ANEXO I. INFRAESTRUCTURA
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1.- INTRODUCCIÓN El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término "transistor" es la contracción en inglés de transfer resistor ("resistencia de transferencia"). Actualmente se los encuentra prácticamente en todos los enseres domésticos de uso diario: radios, televisores, grabadoras, reproductores de audio y vídeo, hornos de microondas, lavadoras, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo, computadoras, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3, celulares, etc. Vienen a sustituir a las antiguas válvulas termoiónicas de tres electrodos o tríodo, el transistor bipolar fue inventado en los Laboratorios Bell de EE. UU. En diciembre de 1947 por John Bardeen, Walter HouserBrattain y William Bradford Shockley, quienes fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1956. Gracias a ellos fue posible la construcción de receptores de radio portátiles llamados comúnmente "transistores", televisores que se encendían en un par de segundos, televisores en color... Antes de aparecer los transistores, los aparatos a válvulas tenían que trabajar con tensiones bastante altas, tardaban más de 30 segundos en empezar a funcionar, y en ningún caso podían funcionar a pilas, debido al gran consumo que tenían. El transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes dopadas artificialmente (contaminadas con materiales específicos en cantidades específicos) que forman dos uniones bipolares, el emisor que emite portadores, el colector que los recibe o recolecta y la tercera, que está intercalada entre las dos primeras, modula el paso de dichos portadores ( base). A diferencia de las válvulas, el transistor es un dispositivo controlado por corriente y del que se obtiene corriente amplificada. En el diseño de circuitos a los transistores se les considera un elemento activo, a diferencia de los resistores, capacitores e inductores que son elementos pasivos. Su funcionamiento sólo puede explicarse mediante mecánica cuántica. De manera simplificada, la corriente que circula por el "colector" es función amplificada de la que se inyecta en el "emisor", pero el transistor sólo gradúa la corriente que circula a través de sí mismo, si desde una fuente de corriente continua se alimenta la "base" para que circule la carga por el "colector", según el tipo de circuito que se utilice. El factor de amplificación logrado entre corriente de base y corriente de colector, se denomina Beta del transistor. Otros parámetros a tener en cuenta y que son particulares de cada tipo de transistor son: Tensiones de ruptura de Colector Emisor, de Base Emisor, de Colector Base, Potencia Máxima, disipación de calor, frecuencia de trabajo, y varias tablas donde se grafican los distintos parámetros tales como corriente de base, tensión Colector Emisor, tensión Base Emisor, corriente de Emisor, etc. Los tres tipos de esquemas básicos para utilización analógica de los transistores son emisor común, colector común y base común. En el presente trabajo se analizan las propiedades básicas del transistor como son la ganancia, las impedancias de entrada y salida, la zona de amplificación y saturación y además se presentan una serie de circuitos en los que se analizan las ventajas e inconvenientes, como así también sus posibles implementaciones. Entre los circuitos analizados se encuentran el transistor actuando como llave, el seguidor por emisor y el amplificador emisor común.
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2.- PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA Nos encontramos con que un grupo de alumnos que no conoce que aplicaciones tiene los transistores, por ello se desarrollará la práctica de manera precisa y de forma secuencial que permita aprender el uso y manejo de los mismos.
3.- OBJETIVO En esta práctica nos familiarizaremos con el transistor bipolar. En primer lugar identificaremos sus tresterminales: emisor, base y colector. En la segunda parte estudiaremos las tres zonas de trabajo del transistor:corte, activa y saturación. Se recuerda al alumno que el transistor bipolar funciona como una fuente decorriente controlada por tensión. Por debajo de un voltaje mínimo entre base y colector (voltaje de activación)el transistor no conduce. En la zona activa el transistor amplifica la corriente de base por un factor llamado β(ganancia de corriente).
Se implementaran circuitos lógicos basados en componentes discretos utilizando resistencias y transistores, se evaluar su funcionamiento así como la comprobación del funcionamiento de las principales compuertas lógicas. Identificación de los terminales P/N del diodo LED. Explicar cómo se podrían identificar experimentalmente los terminales del transistor. Realizar el montaje correctamente. Puede darse la circunstancia de que el diodo LED luzca aún con los terminales del transistor conectados erróneamente. Explicar el montaje en que se podría dar esta circunstancia y porqué se produce. Cálculo de la ganancia del transistor. Identificar las zonas de trabajo del transistor.
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4.- FUNDAMENTOS TEÓRICOS Transistor El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término «transistor» es la contracción en inglés de transfer resistor («resistencia de transferencia»). Actualmente se encuentran prácticamente en todos los aparatos electrónicos de uso diario: radios, televisores, reproductores de audio y video, relojes de cuarzo, computadoras, lámparas fluorescentes, tomógrafos, teléfonos celulares, etc. El transistor bipolar fue inventado en los Laboratorios Bell de EE. UU. en diciembre de 1947 por John Bardeen, Walter HouserBrattain y William Bradford Shockley, quienes fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1956. Fue el sustituto de la válvula termoiónica de tres electrodos, o triodo. El transistor de efecto de campo fue descubierto antes que el transistor (1930), pero no se encontró una aplicación útil ni se disponía de la tecnología necesaria para fabricarlos masivamente. Es por ello que al principio se usaron transistores bipolares y luego los denominados transistores de efecto de campo (FET). En los últimos, la corriente entre el surtidor o fuente (source) y el drenaje (drain) se controla mediante el campo eléctrico establecido en el canal. Por último, apareció el MOSFET (transistor FET de tipo Metal-Óxido-Semiconductor). Los MOSFET permitieron un diseño extremadamente compacto, necesario para los circuitos altamente integrados (CI). Hoy la mayoría de los circuitos se construyen con tecnología CMOS. La tecnología CMOS (ComplementaryMOS ó MOS Complementario) es un diseño con dos diferentes MOSFET (MOSFET de canal n y p), que se complementan mutuamente y consumen muy poca corriente en un funcionamiento sin carga. El transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes dopadas artificialmente (contaminadas con materiales específicos en cantidades específicas) que forman dos uniones bipolares, el emisor que emite portadores, el colector que los recibe o recolecta y la tercera, que está intercalada entre las dos primeras, modula el paso de dichos portadores (base). A diferencia de las válvulas, el transistor es un dispositivo controlado por corriente y del que se obtiene corriente amplificada. En el diseño de circuitos a los transistores se les considera un elemento activo, a diferencia de los resistores, condensadores e
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inductores que son elementos pasivos. Su funcionamiento sólo puede explicarse mediante mecánica cuántica. De manera simplificada, la corriente que circula por el colector es función amplificada de la que se inyecta en el emisor, pero el transistor sólo gradúa la corriente que circula a través de sí mismo, si desde una fuente de corriente continua se alimenta la base para que circule la carga por el colector, según el tipo de circuito que se utilice. El factor de amplificación o ganancia logrado entre corriente de colector y corriente de base, se denomina Beta del transistor. Otros parámetros a tener en cuenta y que son particulares de cada tipo de transistor son: Tensiones de ruptura de Colector Emisor, de Base Emisor, de Colector Base, Potencia Máxima, disipación de calor, frecuencia de trabajo, y varias tablas donde se grafican los distintos parámetros tales como corriente de base, tensión Colector Emisor, tensión Base Emisor, corriente de Emisor, etc. Los tres tipos de esquemas(configuraciones) básicos para utilización analógica de los transistores son emisor común, colector común y base común. Modelos posteriores al transistor descrito, el transistor bipolar (transistores FET, MOSFET, JFET, CMOS, VMOS, etc.) no utilizan la corriente que se inyecta en el terminal de base para modular la corriente de emisor o colector, sino la tensión presente en el terminal de puerta o reja de control (graduador) y gradúa la conductancia del canal entre los terminales de Fuente y Drenaje. Cuando la conductancia es nula y el canal se encuentra estrangulado, por efecto de la tensión aplicada entre Compuerta y Fuente, es el campo eléctrico presente en el canal el responsable de impulsar los electrones desde la fuente al drenaje. De este modo, la corriente de salida en la carga conectada al Drenaje (D) será función amplificada de la Tensión presente entre la Compuerta (Gate) y Fuente (Source). Su funcionamiento es análogo al del triodo, con la salvedad que en el triodo los equivalentes a Compuerta, Drenador y Fuente son Reja (o Grilla Control), Placa y Cátodo. Los transistores de efecto de campo son los que han permitido la integración a gran escala disponible hoy en día; para tener una idea aproximada pueden fabricarse varios cientos de miles de transistores interconectados, por centímetro cuadrado y en varias capas superpuestas.
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5.- DESARROLLO TEÓRICO El comportamiento del transistor puede analizarse tomando en consideración suscaracterísticas de entrada (terminales base-emisor) y sus características de salida, es decir,el control ejercido sobre los terminales colector-emisor por el circuito de entrada. Desde el punto de vista de su funcionamiento eléctrico, los terminales base y emisor seasemejan a un diodo. Se producirá circulación de corriente, solamente cuando la polaridad de los potenciales aplicados corresponda a la polaridad del diodo base-emisor. O sea que cuando la diferencia de potencial del elemento representado por un diodo (base-emisor), sea mayor que la tensión de juntura, éste conducirá. Si se aplica una fuente de tensión de polaridad adecuada a los terminales base-emisor se producirá una corriente de base IB, determinada por la tensión de alimentación, la resistencia de base RB y la resistencia propia del diodo (en general esta resistencia será reducida por tratarse de un diodo polarizado en su sentido de conducción). Se observa que la corriente del colector IC depende en forma directa de la corriente IB de manera tal que: • Si no circula corriente por el circuito base-emisor, tampoco circula corriente por colector-emisor (la corriente IC es prácticamente nula). • Todo aumento (o disminución) de la corriente IB se traduce como un aumento (o disminución) de la
corriente IC. • Se puede afirmar que existe una relación proporcional entre la corriente de base y la corriente de
colector. Por otra parte, también se observa que valores pequeños de corriente en la base producen una circulación de corriente en el colector apreciablemente mayor. Esta característica de control entrada-salida se especifica por medio de la relación entre las corrientes IC e IB, denominada ganancia (β=IC/ IB).
Resumiendo, el transistor es un elemento de circuito que admite un control sobre los terminales de salida que depende de la señal aplicada a su entrada. Este control se realiza por circulación de corriente en la base. Además, el transistor puede operar como una llave donde los dos casos posibles de operación serán: • El transistor como llave abierta: si la corriente de base es nula, la corriente de colector será
prácticamente cero. • El transistor c omo llave cerrada: A medida que se aumenta la corriente de base, se incrementa consecuentemente la corriente de colector hasta que se llega a la zona de saturación.
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6.- DESARROLLO EXPERIMENTAL
EJERCICIOS DE EJEMPLO: EJEMPLO 4.1: Determine lo siguiente para la configuración de polarización Fija. (a) IBQe ICQ .
(b) VCEQ,
(c) VB y VC,
(d) VBC.
IBQ= 47.08µA ICQ= 2.35mA. VCEQ= 6.83 V VB=
0.7V
VC=
6.83V
VBC=
-6.13V
Figura Grafica1Ejercicio 4.1 Circuito de polarización fija.
Figura 1 Ejercicio 4.1 Circuito de polarización fija.
Figura 1.2 Ejercicio 4.1. Circuito de polarización fija.
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EJEMPLO 4.4: Para la red de la polarización en emisor de la figura 2 determine: (a)IB
(b)IC
(c)VCE
(d)VC
(e)VE
(f)VB
(g)VBC.
(a)IB= 4.1µA (b)IC= 2.1mA (c)VCE=13.97V (d)VC=15.98V (e)VE=2.01V (f)VB=2.71V (g)VBC.= -13.97V
Figura 2 Ejercicio 4.4. Circuito de polarización establecido en el emisor del ejercicio 4.2.
Figura Grafica 2 Ejercicio 4.4. Circuito de polarización establecido en el emisor del ejercicio 4.2.
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EJEMPLO 4.7: Determine el voltaje de polarización de VCE y la corriente IC para la configuración por divisor de voltaje de la figura 3. (a) VCE = 0.85mA (b) IC = 12.22V
Figura Grafica 3 Ejercicio 4.7. Circuito de beta.
Figura3 Ejercicio 4.7. Circuito de beta.
Figura Grafica 3 Ejercicio 4.7. Circuito de beta.
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7.- CONCLUSIONES Los transistores son unos elementos que han facilitado, en gran medida, el diseño de circuitos electrónicos de reducido tamaño, gran versatilidad y facilidad de control. Con el desarrollo de este trabajo además de consolidar el trabajo en equipo, y consolidar nuestras capacidades investigativas nos aportó importantes conocimientos en algunos casos en forma de cultura general, y otras ocasiones conocimientos específicos acerca de los diodos y cada uno de los tipos mas conocidos. Podemos decir que el surgimiento de los Diodos ha proporcionado un gran avance a la ciencia no solo a la electrónica sino a la ciencia de forma general porque casi todos equipos que tenemos en la actualidad funcionan con componentes eléctricos y con presencia de transistores. Primero podemos destacar que el transistor se puede utilizar en dos maneras como llave en la que trabaja en la zona de saturación y como amplificador que se distingue debido a que dentro de esta zona la corriente de colector es veces mas que la de base. La ganancia calculada fue de 222, que se corresponde con los valores típicos (alrededor de los 300). Se debe destacar que la ganancia del transistor medido puede ser algo distinta de las medidas sobre otros transistores del mismo modelo (BC548) ya que es un parámetro que depende fuertemente del espesor de la base. Resulta útil recordar que la ganancia por lo general disminuye para transistores de potencia pudiendo ser del orden de 10 para transistores de alrededor de 1Watt. El seguidor por emisor, si bien su ganancia de tensión es aproximadamente 1 puede resultar práctico cuando se tiene un sensor al que se desea extraer poca corriente para medir la señal que capta, porque posee una impedancia de entrada alta (Zi medida 172k) y una impedancia de salida pequeña (Zo medida<<500). El seguidor con fuente única tiene la ventaja de mantener la base a un potencial que está alrededor de los 6 V (en nuestro caso, ver el ítem correspondiente: Seguidor con fuente de alimentación única), haciendo que el transistor este siempre cerca del punto de trabajo óptimo. En el amplificador emisor común con capacitor de bypass se observa las diferencias entre la ganancia de corriente continua y alterna.
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8.- REFERENCIAS 1.- Electrónica - Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos, 8E (R.L. Boylestad, L. Nashelsky) (Pearson) (2003) (9789702604365) 2.- Principios de la electrónica, A. Malvino Ed Mc Graw-Hill, 1994 3.- Elementos de electrónica, H. Hickey y W. Villines, ,Boixareu editores. 1972. 4.- http://www.electronica2000.com 5.- http://areaelectronica.com/ Transistores/Transistores, transistor, teoría..htm
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9.- ANEXO I. INFRAESTRUCTURA Lista de materiales requeridos para la elaboración de la practica. Equipo de cómputo: # DEL
MARCA
MEMORIA
WINDOWS
DISCO DURO
#4
COMPAQ
512MB
XP
160GB
#9
DELL
513MB
XP
160GB
EQUIPO
Componentes electrónicos: CANTIDAD NOMBRE
VALOR
MARCA
1
PROTOBOARD
N/A
PRO’SKIT
3
RESISTENCIAS
0.3KΩ
32
RESISTENCIAS
2.2KΩ
4
RESISTENCIAS
10KΩ
2
RESISTENCIAS
20KΩ
7
RESISTENCIAS
4.7KΩ remplazadas por3300KΩ
8
RESISTENCIAS
2KΩ
8
RESISTENCIAS
1.2KΩ
6
RESISTENCIAS
4.7KΩ
6
RESISTENCIAS
2KΩ
2
RESISTENCIAS
6.8KΩ
2
RESISTENCIAS
3.3KΩ
4
RESISTENCIAS
1KΩ
1
RESISTENCIAS
56KΩ
1
CARGADOR
1
CAMARAFOT.
STEREN 8.1 MEGAPIXELES
14
SAMSUNG
BIbliografria: AUTOR R.L.
NOMBRE DEL LIBRO
EDITORIAL
EDICION
Principios de electrónica
Mc Graw Hill
7THEDITION
Electrónica - Teoría de
Pearson Prentice Hall
8TH EDICIÓN
Boylestad, L. Circuitos y Dispositivos Nashelsky
Electrónicos
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