Laboratorio Circuitos Electrónicos I
POLARIZACIÓN POLARIZACIÓN DEL TRANSISTOR JFET Y MOSFET M OSFET Pre-Informe Laboratorio 3 David Steven Hoyos Gil, Andrés Fermin Mella, Fredy Alvarez Palechor Escuela de Ingeniería eléctrica y electrónica Universidad del Valle Cali, Colombia
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Resumen: En este laboratorio implementaremos diversos circuitos para probar el funcionamiento de los transistores JFet. Se comprobará experimentalmente que los parámetros de este dispositivo varian de manera apreciable entre JFets de iguales características. Además se implementará mediante relés, resistencias, Mosfet y fotoceldas una lámpara automática accionada por la luz presente en el entorno.
III. METODOLOGÍA Se realizarán cálculos teóricos, simulaciones y mediciones en el circuito real ayudados de una protoboard y un multímetro. Estos pasos se implementarán sobre los distintos tipos de circuitos a analizar. Para los cálculos se hará con un solo tipo de transistor JFET (K161), pero en la práctica se hará con varios JFET de igual referencia para verificar la variabilidad de sus parámetros
Palabras clave: Transistor JFet, transistor Mosfet, fotocelda, relé, diodo led.
IV. PROCEDIMIENTO
I. Introducción El transistor JFet es un dispositivo de tres terminales, dos de ellos actúan como un canal de paso para el flujo de corriente eléctrica a través de un canal tipo n o tipo p que es controlado mediante campo eléctrico.
Transistor JFET: Trace la función característica de salida vs con . Mida varios valores (mínimo 10 pares de datos) y grafíquelos.
El campo eléctrico aplicado en la terminal Gate con respecto a la terminal Source determina el ancho total del canal y determina la cantidad de corriente que pasa a través del transistor desde el Drain(dreno) hasta Sourse(fuente). El transistor Mosfet es interesante en la utilización de circuitos de conmutación.
II. OBJETIVOS
Entender el comportamiento transistores JFET y Mosfet.
Conocer el uso de los JFet como resistencia variable controlada por voltaje.
Establecer una comparación entre los valores teóricos y los valores medidos.
Conocer el uso de señales lumínicas para controlar el encendido de un led .
que
presentan
los
Figura 1.
Para el desarrollo de este punto se debía cumplir con la condición de que y para asegurar tal condición no se conecta ninguna resistencia en la terminal fuente (Aunque la corriente de puerta, en teoría, es 0 A para los JFET en DC). Luego, como el valor de la resistencia es igual a 100Ω, el asociado al transistor en la conexión será 100Ω. Lo anterior significa que el transistor se reemplazará reemplazará por una resistencia de 100 Ω mientras esté
operando en la región óhmica, lo que sucederá hasta que la corriente no supere los 8mA (valor que según el Datasheet equivale a ). Y con base en ello, se utilizará una resistencia R1 cercada a con el fin de observar el cambio de la region ohmica a la region de corriente constante en un menor voltaje . Se decidió trabajar con R1=330Ω.
Ahora, se variará el valor de (fuente 10[V] y se anotarán los cambios en .
Para
Para
El resultado anterior quiere decir que el transistor ya está casi operando en la región de corriente constante puesto que la corriente está cercana los 8 mA que es la corriente máxima , por lo que el transistor ya no puede ser reemplazado por la resistencia y en consecuencia, los cálculos se realizan de manera diferente.
Para
Para
Región de saturación (corriente constante):
Como se está trabajando en la curva donde es igual a cero, entonces se tiene la certeza de que una vez el transistor opera en la región de saturación, el valor de la corriente será igual al valor de : 8mA.
Para
Para
Para
) desde 0 a
Región óhmica:
Para
Para
Para
Para
A partir de los anteriores resultados se realiza la siguiente gráfica:
constante, para lo cual se usa un voltaje de fuente de 8 V, según los datos encontrados anteriormente. Ahora, se tiene que el voltaje . Por lo cual, se calcularán los datos para aumentos del de 0.2. Mediante la siguiente expresión se obtienen los valores necesarios para la caracterización. Dichos cambios de se hacen variando la fuente de alimentación de la entrada del circuito.
ID VS VDS
10.000 8.000 ) A 6.000 m ( 4.000 D I
2.000 0.000 0.000
2.000
4.000
6.000
VDS(v)
Figura 2. Grafica de datos teóricos.
* + * + * + * + * + * + * + * + * + donde se escoge una = 6mA
en este caso
Figura 3. Grafica ID VS VDS
-
======Obtenga la función característica de entrada vs ajustando para operar en la región de saturación (corriente constante). Mida varios valores (mínimo 10 pares de datos) y grafíquelos.
Teniendo en cuenta las condiciones planteadas, se busca que el transistor esté operando en la zona de corriente
+ * -
-
Grafica de la función característica de entrada corriente de dreno ( ) vs voltaje de puerta fuente ( ).
0.1v usando la herramienta DC Sweep y por medio de la grafica de Voltaje de dreno fuente (Vds) vs Corriente de dreno (Id) se determinaran estos valores. Para este caso se diseño el circuito de la siguiente figura.
ID vs VGS 6 ) A m ( D I
4 2 0
-3
-2
-1
0
VGS(v)
Figura 4.
vs
Simulación:
Figura 7.
Figura 5. Circuito con variación de fuente en la entrada. Figura 8.
Observando la grafica se puede afirmar que la corriente de dreno de saturación (Idss) es aproximadamente 6.8mA y se da cuando el voltaje entre puerta y fuente es 0 (Vgs=0). El voltaje de pinch-off (Vp) es de aproximadamente 1.8V y es valor de tensión de puerta que en negativo produce el corte en el transistor JFET. Dado que la hoja de datos del dispositivo seleccionado para el trabajo experimental da rangos para estos parámetros no se puede concluir si hay precisiones con lo simulado. Figura 6. Gráfica
vs
5.1.3. Obtenga los valores reales de Vp e IDSS para el transistor JFET canal N adquirido Dado que estos valores son propios de cada transistor la manera mas adecuada de hallarlos es por medio de simulación, en este caso se usara el software Pspice que nos permite variar el voltaje de 0 a 5 voltios con incrementos de
5.1.4. Polarizando el transistor en la región óhmica, tome valores, calcule y grafique vs .
En esta ocasión se diseñó el circuito de la figura 10, dejando fija la fuente con un valor de 1V para garantizar su operación en la región óhmica. Con esta fuente fija, el valor de Ro es de aproximadamente 100Ω.
Para hallar se variará el voltaje de la figura 10 correspondiente a y se aplica la siguiente fórmula para el cálculo de cada una de las resistencias debidas a los cambios que se den en dicha fuente, sabiendo que por cálculos y simulaciones anteriores.
RDS VS VGS
200 150
) Ω ( s d R
) (
100 50 0
-500
-400
-300
-200
-100
0
Vgs(mV)
Figura 9. Gráfica de datos teóricos Simulación: Usando el software Pspice se implementó el circuito de la siguiente figura polarizado con para garantizar su operación en la región óhmica (Vds
Figura 10. Circuito de diseño.
Figura 11. Simulación de
vs
5.1.5. Haga los cálculos necesarios e implemente el circuito de polarización por división de tensión para obtener un punto de operación lineal con ID=IDSS/2 y VDS= VDD/2. Para responder a lo exigido, se diseñó el circuito de la figura 12 que consta de cuatro resistencias, un jfet que en este caso es el JSK121 y una fuente de alimentación DC (VDD) de 12v.
=3.4mA*1k=3.4v -12+3.4+6+VR2=0 VR2=2.6
Valores de R4 y R3:
Vgs+VR2+VR3=0 VR3=2.037
Hallado el voltaje de la resistencia tres se puede aplicar un divisor de tensión dado que la corriente de puerta del transistor es de aproximadamente cero y por este caso se asume una resistencia R4 de un valor significativo. R4=1.5k
Figura 12. Circuito divisor de tensión.
Simulación:
Sabemos que ID debe ser IDSS/2, al igual que VDS debe ser VDD/2 y debido a los literales desarrollados anteriormente y definida la fuente VDD sabemos que:
IDSS=6.8 mA VDD=12 V VGS(off)=-1.8 V Entonces
ID=3.4 mA VDS=6V
Conociendo estos parámetros se despeja aplicando la ecuación de Schockley que viene dada por:
[ ]
Figura 13.
Para hallar los valores de resistencia, se define por diseño a R1=1k. Este valor no debería ser mayor puesto que la caída de tensión seria mayor y la condición requerida de no se cumplirían.
Valor de R2:
Figura 14. Voltaje (
)
Figura 15. Corriente (ID)
5.2.1 Diseñe un sistema que permita el encendido automático de una lámpara en ausencia de luz. Para llevar a cabo su diseño utilice un transistor E-MOSFET (por ejemplo 2N7000, BS107, etc.), un relé de 9V (o cualquier relé cuyo voltaje de activación sea menor a 9V), una fotocelda y resistencias varias. Considere una fuente de alimentación de 12V.
. Figura 16. Encendido de lampara con R3=100k
Para el diseño del circuito de la figura 16 se usa una fotorresistencia que varía de 100K Ω hasta 100Ω aproximadamente, esto en usencia de luz y con luz respectivamente, un transistor Mosfet 2N700, una fuente de alimentación de 12v, una resistencia de 330Ω y una de 1K Ω, un led, y un relé con un voltaje de activación de 6v o mas. Su funcionamiento es el siguiente: con la resistencia R3 (fotocelda) se controla el voltaje dreno fuente (VDS). Si la resistencia R3 (Fotocelda) es máxima (Oscuridad), la caída de tensión en el divisor de tensión es suficiente para saturar el Mosfet con lo que se activa el relé y el diodo led se enciende. Cuando se enciende la luz, el divisor de voltaje no aporta el voltaje suficiente para saturar el transistor y el relé no se activa. Con la resistencia R1 se puede controlar la cantidad de luz a la que se desea que se encienda la lámpara, dicho en otras palabras, si se quiere que la bombilla se encienda con menos presencia de luz esta resistencia debe ser mucho mayor, si se quiere lo contrario se debe disminuir R1.
Figura 17. Encendido de lampara con R3=100
Tablas de datos
Teórico
Práctico
0.116
1.116
0.2232
2.232
0,004
1,2
0.3348
3.348
0,005
1,51
0.4465
4.465
0,006
1,78
0.5581
5.581
0,007
1,95
0.6697
6.697
0,008
2,07
0.814
7.814
0,009
2,2
2.36
8
0,01
2,25
3.36
8
0,012
2,27
4.36
8
0,013
2,29
5.36
8
0,014
2,31
0,015
2,32
0,003
0,91
2.5
2
1.5 Series1 1
0.5
0 0
0.005
0.01
Figura 18.
0.015
vs
práctico.
0.02
Teórico
Práctico
-2
0
-1.8
0.06
-1,8
0
-1.6
0.24
-1,6
0
-1.4
0.54
-1,4
0
-1.2
0.96
-1,2
0
-1.0
1.5
-1
0
-0.8
2.16
-0,8
0,01
-0.6
2.94
-0,6
0,1
-0.4
3.84
-0,4
0,44
-0.1
5.41
-0,2
1,21
0
2,96
-2
0
3.5 3 2.5 2 Series1
1.5 1 0.5 0 -2.5
-2
-1.5
Figura 19.
-1
vs
-0.5
práctico.
0
Teórico
Simulación. Ver figura 8.
Práctico
0
0
0,17
0,85
0,32
1,44
0,53
1,89
0,78
2,14
1,14
2,28
1,57
2,34
1,87
2,37
2,31
2,39
2,7
2,4
3,11
2,4
3,46
2,4
3
2.5
2
1.5
Series1
1
0.5
0 0
1
2
Figura 20.
3
vs
práctico.
4
Teórico
Práctico
-0.4
165.306
-0.35
154.102
-0,35
0,79
-0.3
144
-0,3
0,73
-0.25
134.85
-0,25
0,67
-0.2
126.56
-0,2
0,615
-0.15
119.008
-0,15
0,55
-0.1
112.11
-0,1
0,5
-0.05
105.79
-0,05
0,45
0
100
0
0,41
-0,4
0,84
2000 1800 1600 1400 1200 1000
Series1
800 600 400 200 0 -0.5
-0.4
-0.3
Figura 21.
-0.2
vs
-0.1
práctico.
0
CONCLUSIONES
Se hace difícil trabajar con dispositivos como el JFET k161 debido a que es muy variable con la temperatura y ello podría confundir al practicante pues podría no saber si las medidas son correctas o no. Pero para eso puede basarse en el datasheet, ya que en él encontrará los rangos adecuados de corriente de saturación y voltaje Vp y con eso sabrá si sus medidas son aceptables o no.
El tener un rango tan grande en el que se encuntra Vgs e Idss nos ocasiono inconvenientes no sólo a la hora de obtener unos resultados lejanos, sino que a la hora de diseñar un circuito en donde el trasistor debia estar en una región especifica, la variacion de los parametros generó que este se encontrara en otra región y por ende tuviera un comportamiento diferente al esperado. Un transistor mosfet es un dispositivo que permite obtener una salida casi discreta a partir de eventos analogos, esta es una cualidad muy util cuando se necesita digitalizar un sistima u obtener una señal discreta. La cualidad de funcionar como comparador es la que me permite implementar sistemas digitales utilizando un trnasistor MOSFET. El hecho de que los datos prácticos se encuentren alejados de los datos teóricos no implica que el experimento esté malo, sino que con este, simplemente se confirma que efectivamente la corriente de saturación del JFET usado se encuentra en un rango entre 1 y 10mA que puede variar por las condiciones de temperatura que se presenten en el momento de llevar a cabo las medidas. Lo importante del experimento es obtener la forma de función característica del transistor así como un comportamiento esperado.
