Elaborado por: Daniel Antonio Parra Dicillo C.I.: 16.218.771 Daniel Eduardo Marcano Díaz C.I.: 19.415.380
Objetivos Esta práctica tiene como propósito: •
Reconocer algunas de las características de los transistores BJT en sus distintas zonas de operación.
•
Obtener nociones acerca de la polarización de los transistores.
Presentación y Análisis de Resultados Características BTJ 1. Polarización BJT: a) Establezca las relaciones entre las gráficas obtenidas en la práctica con las suministradas por el fabricante (hoja de datos), compárelas y; con ayuda de su libro de texto y sus clases de teoría, explique el significado eléctrico (parámetros de redes) de cada una de ellas: Transistor BJT-NPN (Transistor 2N3904):
IB =
VCC − VBE R1
VBE = 0.7V
VB = VCC − R1 * I B
R1 = 1M Ω
IC = β * I B
R2 = 2 K Ω
VC = VCC − I C * R2 Variamos el valor de la tensión Vcc para los valores propuestos en la tabla de la parte 1 de la práctica.
Cuando el Voltaje VCC es menor a 0.7 V el transistor esta en estado de CORTE. Una vez que supera el voltaje de 0.7V mas la caída de voltaje en la resistencia Rb; entonces, éste pasa al estado ACTIVO. A continuación, presentamos las Tablas de los Valores Teóricos y Prácticos obtenidos para el Transistor BJT-NPN:
NPN Vcc 0,00 V 0,50 V 0,60 V 0,70 V 0,80 V 1,00 V 4,00 V 8,00 V 12,00 V 16,00 V 20,00 V
Teóricos Teóricos Vb Vc Ib Ic µ A 0,00 mA 0,00 V 0,00 V 0,00 µ A 0,00 mA 0,00 V 0,00 V 0,00 0,00 V 0,00 V 0,00 µ A 0,00 mA 0,00 V 0,00 V 0,00 µ A 0,00 mA 0,00 V 0,00 V 0,00 µ A 0,00 mA 0,58 V 0,93 V 0,42 µ A 0,09 mA 0,64 V 3,19 V 3,36 µ A 0,41 mA 0,66 V 5,92 V 7,34 µ A 1,04 mA 0,68 V 8,49 V 11,30 µ A 1,76 mA 0,69 V 10,90 V 15,30 µ A 2,54 mA 0,69 V 13,30 V 19,30 µ A 3,38 mA
Ic/Ib 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 71,42 122,02 141,68 155,75 166,01 175,12
Corte Corte Corte Corte Corte Activo Activo Activo Activo Activo Activo
Tabla de los Valores Teóricos de las Tensiones y Corrientes del Transistor BJT NPN (Tabla N°01)
NPN Vcc 0,00 V 0,50 V 0,60 V 0,70 V 0,80 V 1,00 V 4,00 V 8,00 V 12,00 V 16,00 V 20,00 V
Prácticos Vb Vc 0,00 V 0,00 V 0,25 V 0,50 V 0,30 V 0,60 V 0,35 V 0,70 V 0,40 V 0,80 V 0,50 V 1,00 V 0,70 V 2,50 V 0,70 V 4,00 V 0,70 V 5,40 V 0,70 V 6,80 V 0,70 V 8,00 V
Ib 0,00 µ A 0,25 µ A 0,30 µ A 0,35 µ A 0,40 µ A 0,50 µ A 3,30 µ A 7,30 µ A 11,30 µ A 15,30 µ A 19,30 µ A
Prácticos Ic 0,00 µ A 0,00 µ A 0,00 µ A 0,00 µ A 0,00 µ A 0,00 µ A 0,75 mA 2,00 mA 3,30 mA 4,60 mA 6,00 mA
Ic/Ib 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 227,27 273,97 292,04 300,65 310,88
Corte Corte Corte Corte Corte Corte Activo Activo Activo Activo Activo
Tabla de los Valores Prácticos de las Tensiones y Corrientes del Transistor BJT NPN (Tabla N°02)
•
Tabla y Gráfica de la relación Vce-Ic: Vce (V) 0,00 0,50 0,60 0,70 0,80 1,00 2,50 4,00 5,40 6,80 8,00
Ic (mA) 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,75 2,00 3,30 4,60 6,00
Tabla de los Valores Prácticos de la relación Vce-Ic del Transistor BJT NPN (Tabla N°03)
Ic (mA)
Gráfica de los Valores Prácticos de la relación Vce-Ic del Transistor BJT NPN 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 0
2
4
6
8
10
Vce (V)
Gráfica de los Valores Prácticos de la relación Vce-Ic del Transistor BJT NPN (Gráfico N°1)
•
Tabla y Gráfica de la relación Vbe-Ic: Vbe (V) 0,00 0,25 0,30 0,35 0,40 0,50 0,70 0,70 0,70 0,70 0,70
Ic (mA) 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,75 2,00 3,30 4,60 6,00
Tabla de los Valores Prácticos de la relación Vbe-Ic del Transistor BJT NPN (Tabla N°04)
Ic (mA)
Gráfica de los Valores Prácticos de la relación Vbe-Ic del Transistor BJT NPN 7 6 5 4 3 2 1 0 -1 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
Vbe (V)
Gráfica de los Valores Prácticos de la relación Vbe-Ic del Transistor BJT NPN (Gráfico N°2)
•
Tabla y Gráfica de la relación Ic-(Ic/Ib):
β =Ic/Ib 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 227,27 273,97 292,04 300,65 310,88
Ic (mA) 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,75 2,00 3,30 4,60 6,00
Tabla de los Valores Prácticos de la relación Ic-(Ic/Ib) del Transistor BJT NPN (Tabla N°05)
Ic/Ib
Gráfica de los Valores Prácticos de la relación Ic(Ic/Ib) del Transistor BJT NPN 350 300 250 200 150 100 50 0 0
1
2
3
4
5
6
7
Ic (mA)
Gráfica de los Valores Prácticos de la relación Ic-(Ic/Ib) del Transistor BJT NPN (Gráfico N°3)
Transistor BJT-PNP (Transistor 2N3906):
IB =
VEE − VEB R1
VBE = 0.7V
VB = R1 * I B
R1 = 1M Ω
IC = β * I B
R2 = 2 K Ω
VC = IC * R2 Variamos el valor de la tensión Vcc para los valores propuestos en la tabla de la parte 1 de la práctica.
Cuando el Voltaje Vee es menor a 0.7 V el transistor esta en estado de CORTE. Una vez que supera el voltaje de 0.7V mas la caída de voltaje en la resistencia Rb; entonces, pasa al estado ACTIVO. A continuación, presentamos las Tablas de los Valores Teóricos y Prácticos obtenidos para el Transistor BJT-PNP:
PNP Vee 0,00 V 0,50 V 0,60 V 0,70 V 0,80 V 1,00 V 4,00 V 8,00 V 12,00 V 16,00 V 20,00 V
Teóricos Teóricos Vb Vc Ib Ic µ A 0,00 mA 0,00 V 0,00 V 0,00 µ A 0,00 mA 0,00 V 0,00 V 0,00 0,00 V 0,00 V 0,00 µ A 0,00 mA 0,00 V 0,00 V 0,00 µ A 0,00 mA 0,00 V 0,00 V 0,00 µ A 0,00 mA 0,36 V 0,13 V 0,36 µ A 0,06 mA 3,31 V 1,33 V 3,31 µ A 0,66 mA 7,29 V 3,19 V 7,29 µ A 1,58 mA 11,30 V 5,30 V 11,30 µ A 2,63 mA 15,30 V 7,60 V 15,30 µ A 3,77 mA 19,30 V 10,10 V 19,30 µ A 5,00 mA
Ic/Ib 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 166,66 212,90 216,73 232,74 246,40 259,06
Corte Corte Corte Corte Corte Activo Activo Activo Activo Activo Activo
Tabla de los Valores Teóricos de las Tensiones y Corrientes del Transistor BJT PNP (Tabla N°06)
PNP Vee 0,00 V 0,50 V 0,60 V 0,70 V 0,80 V 1,00 V 4,00 V 8,00 V 12,00 V 16,00 V 20,00 V
Prácticos Vb Vc 0,00 V 0,00 V 0,07 V 0,00 V 0,09 V 0,01 V 0,17 V 0,03 V 0,25 V 0,05 V 0,41 V 0,09 V 3,12 V 0,83 V 7,22 V 2,08 V 11,35 V 3,37 V 15,37 V 4,75 V 19,11 V 6,15 V
Ib 0,00 µ A 0,07 µ A 0,09 µ A 0,17 µ A 0,25 µ A 0,41 µ A 3,12 µ A 7,22 µ A 11,35 µ A 15,37 µ A 19,11 µ A
Prácticos Ic 0,00 µ A 0,00 µ A 5,00 µ A 15,00 µ A 25,00 µ A 45,00 µ A 415,00 µ A 1,04 mA 1,69 mA 2,38 mA 3,08 mA
Ic/Ib 000,00 000,00 55,56 88,24 100,00 109,76 133,01 144,04 148,46 154,52 160,91
Corte Corte Corte Corte Activo Activo Activo Activo Activo Activo Activo
Tabla de los Valores Prácticos de las Tensiones y Corrientes del Transistor BJT PNP (Tabla N°07)
•
Tabla y Gráfica de la relación Vec-Ic: Vec (V) 0,00 0,50 0,59 0,67 0,75 0,91 3,17 5,92 8,63 11,25 13,85
Ic (mA) 0,00 0,00 0,005 0,015 0,025 0,045 0,415 1,04 1,69 2,38 3,08
Tabla de los Valores Prácticos de la relación Vec-Ic del Transistor BJT PNP (Tabla N°08)
Ic (mA)
Gráfica de los Valores Prácticos de la relación Vec-Ic del Transistor BJT PNP 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0
2
4
6
8
10
12
14
16
Vec (V) Gráfica de los Valores Prácticos de la relación Vec-Ic del Transistor BJT PNP (Gráfico N°4)
•
Tabla y Gráfica de la relación Veb-Ic: Veb (V) 0,00 0,43 0,51 0,53 0,55 0,59 0,88 0,78 0,65 0,63 0,89
Ic (mA) 0,00 0,00 0,005 0,015 0,025 0,045 0,415 1,04 1,69 2,38 3,08
Tabla de los Valores Prácticos de la relación Veb-Ic del Transistor BJT PNP (Tabla N°09)
Ic (mA)
Gráfica de los Valores Prácticos de la relación Veb-Ic del Transistor BJT PNP 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Veb (V)
Gráfica de los Valores Prácticos de la relación Veb-Ic del Transistor BJT PNP (Gráfico N°5)
Nota: La curva negra representa la línea de tendencia de los valores de la tabla que graficamos, aproximada por medio de un polinomio de orden 2.
•
Tabla y Gráfica de la relación Ic-(Ic/Ib):
β =Ic/Ib 000,00 000,00 55,56 88,24 100,00 109,76 133,01 144,04 148,46 154,52 160,91
Ic (mA) 0,00 0,00 0,005 0,015 0,025 0,045 0,415 1,04 1,69 2,38 3,08
Tabla de los Valores Prácticos de la relación Ic-(Ic/Ib) del Transistor BJT PNP (Tabla N°10)
Gráfica de los Valores Prácticos de la relación Ic(Ic/Ib) del Transistor BJT PNP 200
Ic/Ib
150 100 50 0 0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
Ic (mA)
Gráfica de los Valores Prácticos de la relación Ic-(Ic/Ib) del Transistor BJT PNP (Gráfico N°6)
Nota: El transistor PNP opera de una manera similar a la del dispositivo NPN. Las relaciones corriente-voltaje del transistor PNP serán idénticas a las del transistor NPN excepto en que Vbe se tiene que reemplazar por Veb. Para el transistor NPN, las corrientes de base y colector entran al transistor; mientras que, la corriente del emisor sale; siendo esta, igual a la suma de las otras dos. Para el transistor PNP, las corrientes de base y colector salen del transistor; mientras que, la corriente del emisor entra; siendo esta, igual a la suma de las otras dos. •
Característica Vce – Ic (Gráficos N°1 y N°4):
Esta característica Voltaje-Corriente nos define el estado de operación del transistor dependiendo de la zona en la que se encuentre su Punto de Operación Q (Vce,Ic) y se conoce como Característica de Emisor Común. •
Característica Vbe – Ic (Gráficos N°2 y N°5):
Para el gráfico N°2 correspondiente al transistor NPN, obtuvimos una curva extraordinariamente similar a las mostradas en los libros de textos y hojas de datos suministradas por el fabricante. Esta curva es semejante a la curva de polarización de un diodo. Para Vbe por debajo de unos 0,5V, la corriente es insignificante. Asimismo, en la mayor parte del intervalo de corriente normal Vbe se ubica en el intervalo de 0,6V a 0,8V. Un transistor NPN cuya Unión Base-Emisor tenga polarización directa operará en el Modo Activo siempre que el voltaje del colector no caiga por debajo del de la base en mas de 0,4V aproximadamente. De lo contrario, el transistor deja el Modo Activo y entra en la Región de Saturación de Operación. De modo similar, el transistor PNP operará en el Modo Activo si la Unión Emisor-Base tiene polarización directa y no se permite que el voltaje del colector supere al de la base por mas de 0,4V aproximadamente. De lo contrario, la Unión Colector-Base adquiere polarización directa y el transistor PNP entra en la Región de Saturación de Operación. En el gráfico N°5 apreciamos un comportamiento anormal debido a errores de medición humano y defectos producidos en los instrumentos de medición. Sin embargo, graficamos una línea de tendencia de los valores de la tabla que se ajusta de manera muy similar a la gráfica N°2. Si hubiésemos podido graficar una línea de tendencia aproximando con una exponencial, hubiese quedado aun mas parecida a la gráfica N°2. •
Característica Ic – (Ic/Ib) (Gráficos N°3 y N°6):
La expresión Ic/Ib se conoce como Ganancia de Corriente ideal del Emisor Común (esto es cuando ro ; que es la resistencia asociada al defecto de Early, no está presente) y se denota por la letra griega β . Para explicar un poco esta característica Corriente – Ganancia de Corriente, debemos considerar un transistor que opera en la región activa en el punto de operación Q; es decir, a una corriente de colector Icq, una corriente de base Ibq y un voltaje colector-
emisor Vceq. El cociente entre la corriente del colector y la corriente de la base es la β I CQ de DC: β DC = I BQ Cuando Ic/Ib es muchísimo mayor que 1 (100 o mayor, por ejemplo), la corriente de base se hace muy pequeña en comparación a las corrientes de colector y emisor; razón por la cual, se desprecia su valor, quedando la aproximación: I E ≈ I C
2. Variación en la Polarización del BJT:
Rp1 es el Potenciómetro de 100K cuyo valor real es Rp1 = 104 K Ω ± 1K Ω Rpc es el Potenciómetro de 10K cuyo valor real es Rpc = 9, 09 K Ω ± 0, 01K Ω 2.1. Con Rpc = 5K Ω fijo Rpc = 4,56 K Ω , valor experimental fijo Teóricos
Experimentales
Rp1 ( KΩ)
Vb
Vc
Ve
0 60 100
1,82V 0,86V 0,56V
1,11V 7,42V 11,9V
1,08V 0,20V 0V
Vb
Vc
Ve
Rp1 ( KΩ)
Estado
1,87V 1,16V 1,12V 0,81V 8,74V 0,15V 0,58V 11,81V 0,00V
0 Saturación 64 Activo 104 Activo Tabla de las Variaciones de Tensiones en el Transistor BJT cuando se varía Rp1 (Tabla N°11) 2.2. Con Rp1 = 50 K Ω fijo Teóricos Rpc( KΩ) 0 4 10
Experimentales
Rpc( KΩ) Estado 0 Activo 4,55 Activo 9,11 Saturación Tabla de las Variaciones de Tensiones en el Transistor BJT cuando se varía Rpc (Tabla N°12) Vb Vc Ve Vb Vc Ve 1,00V 12,00V 0,33V 0,98V 11,94V 0,30V 1,00V 6,09V 0,33V 0,98V 5,72V 0,30V 0,93V 0,38V 0,26V 1,67V 0,97V 0,93V
b) Para la actividad 2.1 dé una explicación de los fenómenos presentados al variar el valor de cada potenciómetro; es decir, comente por qué y de qué forma varían los parámetros del transistor en estudio: Al observar las Tablas N°11 y N°12 podemos notar como; las variaciones de Rpc , generan cambios mas bruscos entre los valores experimentales y los teóricos de las tensiones en el transistor que, las variaciones de Rp1 . Esto significa que el punto de operación del transistor es mucho más sensible a las variaciones de Rpc que a las variaciones de Rp1 ; ya que, con solo variar Rpc ; algunas pocas unidades, se generaban grandes cambios en las tensiones; no obstante, al variar Rp1 ; algunas decenas de Ohmnios, no se generaban variaciones notables en las tensiones del transistor respecto a los valores teóricos previamente calculados. Por otra parte, el transistor cambia su estado de operación de Activo a Saturación cuando aumentamos al máximo la resistencia Rpc . Esto ocurre porque aumenta la caída de tensión en la resistencia Rpc y disminuye la tensión en el colector Vc; mientras que, la tensión en la base Vb no manifiesta cambios muy significativos en comparación a Vc y; de esta manera, la Unión Base-Colector se polariza directamente porque la tensión en el colector cae por debajo del valor de la tensión en la base (y la Unión Base-Emisor se mantiene directamente polarizada). Para el caso en el que variamos la resistencia Rp1 ocurre lo contrario; esto es, cuando la disminuimos hasta su valor mínimo ( 0KΩ ), es que el transistor cambia su estado de operación de Activo a Saturación. Esto ocurre porque la resistencia en la base (resistencia equivalente de Thévenin en la base vista hacia fuera del transistor) disminuye al disminuir Rp1 de la siguiente manera: (3,3K + Rp1 )*(5 K ) Cuando Rp1 la disminuimos hasta cero, la resistencia de (3,3K + Rp1 + 5 K ) Thévenin es mínima y la tensión en la base es máxima porque hay menor caída de tensión en Rth. En este caso circula mayor corriente por la base y por el colector. Como Rpc se mantiene constante; entonces, hay mayor caída de tensión en dicha resistencia y menor tensión Vc. De esta manera se polariza directamente la Unión Base-Colector. Rth =
c) Comente acerca de la sensibilidad de Ic y Vce respecto a las variaciones de cada potenciómetro en la red con BJT: El punto de operación de un Transistor BJT es sensible a las variaciones de los diversos parámetros que rigen su funcionamiento; tales como: Ganancia de Corriente del Emisor Común ( β ), Tensión de Polarización (Vcc), Tensión en la Unión Base-Emisor (Vbe), Resistencia de la Base, etc. Esto se denomina “Sensibilidad del Punto de Operación del Transistor”. Sin embargo; para esta práctica, hemos variado el valor de la Resistencia Rp1 (ésta afecta a la Resistencia de la Base (Rb) del equivalente de Thévenin visto desde la Base hacia fuera del transistor, alterando la corriente de la Base Ib y; por lo tanto, la
Corriente del Colector Ic; según la relación Ic = β * Ib ) y el valor de la Resistencia Rpc (ésta afecta a la Corriente del Colector y a la Tensión Colector-Emisor Vce).
Conclusiones •
La corriente del colector depende de la corriente de la base.
•
El transistor opera en tres estados: lineal, saturación y corte. Éstos dependen de Vce e Ic.
•
Si la tensión Vce es inferior a 0,4V más cercano estará el transistor a la Zona de Saturación.
•
Si la corriente Ic tiende a cero, el transistor operará en la Zona de Corte.
•
El transistor se comporta como una fuente de corriente controlada por corriente, es decir, una fuente de corriente que no es de valor fijo; sino que, varía produciendo más o menos corriente en la medida en que hay más o menos corriente en la base.
•
El Transistor no acumula carga: Toda la corriente que entra a él debe salir.
•
El comportamiento fundamental del transistor es que genera una corriente en el colector que es proporcional a la corriente que entra (NPN) o sale (PNP) por la base, la constante de proporcionalidad se llama la Ganancia de Corriente de Ic Emisor Común y se indica por β = . Ib
•
Una vez logrados los objetivos de esta práctica, sabemos que los transistores BJT pueden operar en uno de tres modos posibles: Corte (ambas uniones polarizadas inversamente), Activo (Unión Base-Emisor polarizada directamente y Unión Base-Colector polarizada inversamente) y Saturación (ambas uniones polarizadas directamente).
•
Para asegurar una operación en el modo Activo, el voltaje del colector de un transistor NPN debe mantenerse mas alto que el voltaje de base; mientras que, para un transistor PNP, el voltaje del colector debe ser menor que el de la base.
