I.
P.
N.
ESIME Unidad Zacatenco ICE DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS
Práctica Número: 7 TITULO: POLARIZACIÓN, REGIONES DE OPERACIÓN CON TRANSISTORES BIPOLARES Grupo: 5CM6 Equipo: 1 Sur Integrantes: Fecha de entrega: 21 de Junio de 2017
Nombre del profesor: Ingeniero Mauro César Enciso Barrón
Práctica 7 Polarización, Regiones De Operación con Transistores Bipolares OBJETIVOS 7.1 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. 7.2.- Medir los voltajes y corrientes (punto de operación) del circuito de polarización fija de emisor común para el transistor bipolar y comparar estos valores con los calculados teóricamente. 7.3 Medir los voltajes y corrientes (punto de operación) del circuito de polarización independiente de beta para el transistor bipolar 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.
EQUIPO PROPORCIONADO POR EL LABORATORIO
MATERIAL REQUERIDO QUE DEBE TRAER EL ALUMNO Dos transistores equivalente. Un diodo LED rojo
de
silicio
NPN
TIP41
ó
DOS transistores de Silicio NPN BC547 0 equivalente
Multímetro analógico y/o digital
Resistencias: Cuatro de 1K, una de 100K, tres de 2.2 K, una de 47 K, dos de 4.7 K, una de 3.3 K, una de 820, una de 10 K todas a 0.5W. Tablilla de conexiones (protoboard) Cables: 6 caimán-caimán, 6 caimán-banana, 8 banana-banana, de 50 cm mín. 4 cables coaxiales que tengan en un extremo terminación BNC y en el otro caimán- caimán.
Fuente de voltaje C.D. (variable) y fuente de corriente C.D. (variable)
1 cable coaxial BNC-BNC Multímetro Puntas extras para multímetro Cautín tipo lápiz Pinzas: de punta y corte un desarmador perillero
INTRODUCCIÓN TEÓRICA
Polarización de los BJT
Varios factores controlan el nivel de operación de cd de un transistor, entre ellos el intervalo de los posibles puntos de operación en las características del dispositivo. Una vez que se han definido los niveles de corriente cd y voltaje deseados, se debe construir una red que establezca el punto de operación deseado. Cada diseño determinará la estabilidad del sistema, es decir, cuán sensible es a las variaciones de la temperatura. Hay una similitud subyacente en el análisis de cada configuración, debido al uso recurrente de las siguientes relaciones básicas importantes de un transistor:
= 0.7 (1) = ( + 1) ≅ (2) = (3)
En la mayoría de los casos, la primera cantidad a determinar es la corriente en la base . Una vez conocida la , se pueden aplicar las relaciones de las ecuaciones (1) a (3) para determinar las cantidades de interés restantes. Las ecuaciones para son similares para varias configuraciones, de modo que se puede derivar una ecuación de otra con sólo suprimir o agregar un término o dos.
Punto de operación
El término polarización que aparece en el título de este capítulo es un término totalmente inclusivo de la aplicación de voltajes de cd para establecer un nivel fijo de corriente y voltaje. Para amplificadores con transistores, la corriente y voltaje de cd resultantes establecen un punto de operación en las características que definen la región que se empleará para amplificar la señal aplicada. Como el punto de operación es un punto fijo en las características, también se llama punto quiescente (abreviado punto Q). Por definición, quiescente significa quieto, inmóvil, inactivo. La figura 1 muestra una característica del dispositivo de la salida general para establecer la operación del dispositivo en cualquiera de estos u otros puntos dentro de la región activa. Las capacidades máximas se indican en las características de la figura 1 por medio de una línea horizontal para la corriente máxima del colector y una línea vertical para el voltaje máximo de colector a emisor . La curva define la restricción de potencia nominal máxima en la misma figura. En el extremo inferior de las escalas se encuentran la región de corte , definida por ≤ 0 y la región de saturación , definida por ≤ . El dispositivo BJT podría ser polarizado para que opere afuera de estos límites máximos, pero el resultado de tal operación acortaría considerablemente la duración del dispositivo o lo destruiría. Si nos limitamos a la región activa, podemos seleccionar muchas áreas o puntos de operación diferentes. A menudo, el punto Q seleccionado depende del uso pretendido del circuito. Si no se utilizara polarización, al principio el dispositivo estaría totalmente apagado o inactivo, y el punto Q estaría en A, es decir, corriente cero a través del dispositivo (y voltaje cero a través de él). Como es necesario polarizar un dispositivo de modo que sea capaz de responder a todo el intervalo de una señal de salida, el punto A no sería adecuado. Para el punto B, si se aplica una señal al circuito, el dispositivo variará la corriente y el voltaje a partir del punto de operación, lo que permite que el dispositivo reaccione (y que posiblemente amplifique) tanto las excursiones positivas como las negativas de la señal de entrada. Si selecciona apropiadamente la señal de entrada, el voltaje y la corriente del dispositivo variarán, pero no lo suficiente para llevar al dispositivo a corte o saturación .
El punto C permitiría alguna variación positiva y negativa de la señal de entrada, pero el valor pico a pico se vería limitado por la proximidad de = 0 e = 0 .
Figura 1. Varios puntos de operación dentro de los límites de operación de un transistor. En general, es preferible operar donde la ganancia del dispositivo es bastante constante (o lineal) para garantizar que la amplificación a lo largo de toda la excursión de la señal de entrada sea la misma. El punto B es una región de más separación lineal, y por consiguiente de más operación lineal, como se muestra en la figura 1. El punto D sitúa el punto de operación cerca del nivel máximo de voltaje y potencia. El voltaje de salida excursiona en la dirección positiva, y por lo tanto se limita si no se excede el voltaje máximo. Por consiguiente, parece que el punto B es el mejor punto de operación en función de ganancia lineal y máxima excursión posible de voltaje y de corriente. Habiendo seleccionado y polarizado el BJT en un punto de operación deseado, también debemos tomar en cuenta el efecto de la temperatura. La temperatura cambia los parámetros del dispositivo al igual que la ganancia de corriente del transistor y su corriente de fuga ( ). Las altas temperaturas incrementan las corrientes de fuga en el dispositivo, y cambian por lo tanto las condiciones de operación establecidas por la red de polarización. El resultado es que el diseño de la red también debe proporcionar un grado de estabilidad de temperatura , de modo que los cambios ambientales produzcan cambios mínimos en el punto de operación. Este mantenimiento del punto de operación puede ser especificado por un factor de estabilidad S , el cual indica el grado de cambio del punto de operación provocado por una variación de la temperatura. Es deseable un circuito altamente estable, y se comparará la estabilidad de algunos circuitos de polarización básicos. Para que el BJT se polarice en su región de operación lineal o activa lo siguiente debe ser cierto: 1. La unión base-emisor debe polarizarse en directa (voltaje más positivo en la región p), con el voltaje de polarización en directa resultante de cerca de 0.6 a 0.7 V. 2. La unión base-colector debe polarizarse en inversa (más positivo en la región n), con el voltaje de polarización en inversa de cualquier valor dentro de los lí mites del dispositivo. (Observe que para la polarización en directa el voltaje a través de la unión p-n es p positivo, en tanto que para la polarización en inversa es opuesto (inverso) con n positiva. Este énfasis en la letra inicial deberá servir para memorizar la polaridad necesaria del voltaje.)
La operación en las regiones de corte, saturación y lineal de la característica BJT se da como sigue: 1. Operación en la región lineal: Unión base-emisor polarizada en directa. Unión base-colector polarizada en inversa. 2. Operación en la región de corte: Unión base-emisor polarizada en inversa. Unión base-colector polarizada en inversa. 3. Operación en la región de saturación: Unión base-emisor polarizada en directa. Unión base-colector polarizada en directa.
DESARROLLO 7.1.- 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. Se armó el circuito de la figura 7.1 y se varió el voltaje de la fuente () , para llevar el transistor a las diferentes regiones de operación, se midieron los voltajes y corrientes (punto de operación) para las tres regiones de trabajo.
Figura 7.1 Circuito propuesto para llevar al 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 presentará poca intensidad luminosa en la región activa directa y mayor intensidad' luminosa cuando se encuentre en la región de saturación.
Se llenó la tabla 7.1, en la que se indican los valores aproximados de la corriente de colector que se debe tener en la región de corte y el voltaje de colector-emisor para las regiones de saturación y activa directa.
Tabla 7.1 REGIONES DE OPERACIÓN
VCE (V)
VBE (V)
VCB (V)
IB ( A)
IC (mA)
REGIÓN DE CORTE
13.97 V
0.6
13.9 V
55 µA
10 mA
REGIÓN ACTIVA DIRECTA
5V
0.58
4.48 V
162 µA
29.16 mA
REGIÓN DE SATURACIÓN
0.2V
0.53
0.17 V
280 µA
50 mA
7.2.- Medir los voltajes y corrientes (punto de operación) del circuito de polarización fija de emisor común para el transistor bipolar, figura 7.2. Comparar estos valores con los calculados teóricamente. Se analizaron y obtuvieron las ecuaciones del punto de operación para el circuito de polarización fija de emisor común, mostrado en la figura 7.2.
Figura 7.2 Circuito de polarización fija de emisor común para el transistor bipolar.
Parámetro
Valor calculado teóricamente
Valor calculado en el laboratorio
7.21 V 0.7 V 6.73 V 43.33 A 7.79 mA
6.2 V 0.63 V 5.82 V 45.45 A 8.18 mA
7.3.- Medir los voltajes y corrientes (punto de operación) del circuito de polarización con divisor de voltaje independiente de beta para el transistor bipolar 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. Se armó el circuito de polarización conocido como circuito de polarización independiente de la beta, el cual se muestra en la figura 7.3, se midieron los valores de voltaje y corriente que se solicitan en la tabla 7.2 y se compararon con los valores calculados teóricamente.
Las mediciones se realizaron con dos transistores BC547 con el f in 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 es el mismo sino que varia de transistor a transistor, por esta razón en muchas aplicaciones es necesario trabajar con circuitos de polarización que sean independientes de la beta, como es el caso que nos atañe).
Figura 7.3 Circuito de polarización con divisor de voltaje independiente de beta.
Tabla 7.2 VALOR MEDIDO EN EL
VALOR MEDIDO EN EL
TEÓRICAMENTE
LABORATORIO PARA EL TRANSISTOR UNO
LABORATORIO PARA EL TRANSISTOR DOS
VCE (V)
12.24 V
11.76 V
11.86 V
VBE (V)
0.7 V
0.63 V
0.67 V
VCB (V)
11.52 V
11.17 V
11.21 V
IB ( A)
3.56 µA
4.2 µA
3.95 µA
IC (mA)
0.64 mA
0.67 mA
0.62 mA
IE (mA)
0.64 mA
0.67 mA
0.62 mA
BETA
180
160
156
PARÁMETRO A MEDIR
VALOR CALCULADO
CONCLUSION Mediante el desarrollo de esta práctica se puede concluir que se ha comprendido de mejor manera el comportamiento del transistor bipolar en sus tres regiones de operación y se comparaban los resultados experimentales con los teóricos en cada experimento, con lo que ambos fueron parecidos lo que quiere decir que se realizó correctamente el desarrollo experimental. Además se comprobó que el circuito de divisor de voltaje si resultaba independiente de beta porque se llevaron a cabo las mediciones con dos transistores de beta distinta y efectivamente los voltajes y corrientes fueron parecidos uno con otro así como de igual manera han sido similares a los valores calculados de forma teórica.
