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Objetivos! 3
Introducción. Fundamento Teórico! 3
Esquema eléctrico! 4
Material utilizado! 4
Desarrollo de la practica! 5
Trabajo personal! 9
Conclusión! 12
Apéndice! 12
EL TRANSISTOR EN CONMUTACIÓN
O B J E T I V O S
Presentar un estado del transistor en el que trabaja en uno de los dos extremos de la recta de carga, el punto de corte o el punto de saturación, descartandose los infinitos puntos de trabajo que define dicha recta de carga. Los transistores empleados en los disposiHvos digitales trabajan en estado de conmutación, bloqueados o conduciendo.
I N T R O D U C C I Ó N . F U N D A M E N T O T E Ó R I C O
La caracterísHca principal de un transistor proviene de su principio de funcionamiento. Al variar ligeramente una pequeña intensidad de entrada por la base (lB), se obHene una notable variación de la corriente de salida por el colector (lC). Esto se conoce como el efecto de amplificación de un transistor. La figura 5.1 muestra el esquema básico de polarización de un transistor NPN en configuración de emisor común. Se aprecia una intensidad de entrada a través de una resistencia de base RB y una intensidad de salida a través de una resistencia de carga Rc.
Figura 5.1 Polarización básica de un transistor NPN.
Al aplicar una tensión directa +VB el diodo base-‐emisor queda directamente polarizado. Toda la corriente sale del emisor (lE). Una pequeña parte va por la base (lB) y el resto circula por el colector (Ic). Variaciones ligeras de lB provocan notables variaciones en lC.
El transistor bipolar es un disposiHvo semiconductor que permite el control y la regulación de una corriente grande mediante una señal muy pequeña. El uso del transistor en las zonas de corte y saturación permiten que éste funcione como un interruptor para acHvar o desacHvar alguna carga.
Zonas de Operación del transistor
CORTE.-‐ No circula intensidad por la Base, por lo que, la intensidad de Colector y Emisor también es nula. La tensión entre Colector y Emisor es la de la batería. El transistor entre Colector y Emisor se comporta como un interruptor abierto.
IB = I
C = I
E = 0; V
CE = V
CC
SATURACION.-‐ Cuando por la Base circula una intensidad, se aprecia un incremento de la corriente de colector considerable. En este caso el transistor entre Colector y Emisor se comporta como un interruptor cerrado. De esta forma, se puede decir que la tensión de la batería se encuentra en la carga conectada en el Colector.
↑ IB ⇒↑ I
C; Vcc = R
C x I
C.
ACTIVA.-‐ Actúa como amplificador. Puede dejar pasar más o menos corriente.
Cuando trabaja en la zona de corte y la de saturación se dice que trabaja en conmutación. En definiHva, como si fuera un interruptor.
E S Q U E M A E L É C T R I C O
Figura 5.2 Transistor en conmutación.
M A T E R I A L U T I L I Z A D O
MulHmetroResistencias de 47k, 68k, 390 y 470 Ohm, Transistores: BC547Cables DCEntrenador – Cadet Masterlab
D E S A R R O L L O D E L A P R A C T I C A
Se nos pide estudiar el funcionamiento del circuito (figura 5.2).1.-‐ En el caso de conectar la resistencia de base a la Herra, no tenemos flujo de corriente a través de la base, es igual a 0, entonces no tendremos ninguna corriente en el colector, no habrá ninguna caída de tensión en la resistencia del colector y toda la tensión de la fuente estará entre colector y emisor, Vce=Vcc. TeoréHcamente el transistor está en corte. Rellenamos la tabla... con valores teóricos. Montamos el circuito y realizamos mediciones pracHcas:
Para dibujar la recta de carga en el plano (VCE, IC) del transistor se seleccionan dos puntos: a) Vce=0, entonces Ic=Vcc/Rc, Ic=19mA,; b) Ic=0, entonces Vce=Vcc, Vce=9V, figura 5.4, con el punto azul se señala el punto Q de trabajo del transistor sin polarización.
Figura 5.3 En el dibujo a la izquierda vemos el circuito montado y a la derecha realización de las medidas, en todos los casos recibimos valor 0, excepto Vce que es igual a 9V.
Figura 5.4 Determinación del punto de trabajo del transistor. Como podemos ver el transistor se encuentra en corte.
Rellenamos la tabla con valores prácHcos.
Parámetro Teórico PrácHco
Ic 0uA 0uA
Ib 0uA 0uA
Vbe 0V 0V
Vce 9V 9V
Vrb 0V 0V
Vrc 0V 0V
Tabla 5.1 Transistor sin polarización.
Como podemos observar los valores teóricos y prácHcos coinciden.
2.-‐ Ahora se nos pide conectar la base con +5Vcc y realizar las mismas medidas y cálculos teoréHcos. En la figura 5.5 aparece la curva de relación entre Vce y Ib para el transistor BC547 sacada del datasheet. En este caso el transistor se comporta como un interruptor cerrado, entonces el transistor estará en zona de saturación y la tensión entre colector y emisor Vce será próxima a cero, para poder evaluar mejor esta tensión usaremos el gráfico. Calculamos la corriente de base:
Ib=91,5uA
Figura 5.5 La curva de relación entre Vce y Ib para transistor BC547.
En la gráfica vemos que Vce=0,4V.
Usaremos las siguientes formulas para calcular los valores restantes, es fácil deducirlas de las Leyes de Kirchhoff:
IB =VRB − 0,7
RB
VRB = IBRB
.
Rellenamos la tabla con valores teóricos
Parámetro Teórico PrácHco
Ic 18mA 17,59mA
Ib 91,5uA 87,23uA
Vbe 0,7V 0,72V
Vce 0,4V 0,43V
Vrb 4,3V 4,1V
Vrc 8,6V 8,27
Tabla 5.2 Transistor polarizado.
Ahora realizaremos las medidas prácHcas en el circuito. Con el mulHmetro medimos la ganancia del transistor BC547, figura 5.7 y vemos que es igual a 270. Una vez medidas las tensiones, usaremos las siguientes formulas para calcular Ic e Ib pracHcas:
VRC = ICRC
IC = Vcc −VceRcc
Figura 5.6 Determinación del punto de trabajo del transistor.Como podemos ver el transistor se encuentra en saturación.
IC = VRCRC
Como podemos ver en la tabla 5.2 los resultados prácHcos son muy parecidos a los teóricos.
IB =VRBRB
Figura 5.7 HFe del transistor BC547. Figura 5.8 Midiendo VRB del transistor BC547.
Figura 5.9 Midiendo VRC del transistor BC547. Figura 5.10 Midiendo VCE del transistor BC547.
T R A B A J O P E R S O N A L
Se nos pide diseñar un circuito con transistor que gobierna un diodo LED, como en la figura 5.11, calcular Rb y Rc para la corriente de consumo de 20mA considerando la caída de tensión en el LED ánodo-‐cátodo de 1,5V.
Primero realizaremos los cálculos teóricos. Sabiendo la ganancia del transistor disponible es 270, calculamos mediante la siguiente formula la corriente de base necesaria para conseguir que a través de la resistencia del colector fluyan 20 mA:
Ib = 74,07uA
Ahora determinamos la resistencia de polarización de base necesaria:
En la figura 5.12 aparece la curva de relación entre Vce y Ib para el transistor BC547 sacado del datasheet. Supongamos que el circuito en este caso se comporta como un interruptor cerrado, entonces el transistor estará cerca de zona de saturación y la tensión entre colector y emisor Vce será próxima a cero, para poder evaluar mejor esta tensión usaremos el gráfico. Como podemos ver la corriente de la base corresponde a 1,1V de tensión entre colector-‐emisor, Vce.
Figura 5.11 Circuito para control de una carga Hpo LED.
IC = hFeIB ⇒ IB =IChFe
RB =VBB −VBE
IBRB =
5V − 0,7V74,07uA
= 58kOhm
Figura 5.12 La curva de relación entre Vce y Ib para transistor BC547.
Calculamos la resistencia del colector:
Equivalente más próximo comercial de la resistencia de base del cual disponemos es 68 kOhm y de la resistencia de colector -‐ 390 Ohm. Escogemos un valor más grande para no sobrepasar el valor de corriente máximo del colector, el cual es 20mA.
Rehacemos los cálculos para determinar los valores de Ib e Ic con resistencias prácHcas:
Ib=63uA.
Calculamos la corriente Ic de dos maneras:
Ic= 17mA.
RC = Vcc −VD −VceIC
RC = 9V −1,5V −1,1V20mA
= 320Ohm
IB =VBB − 0,7
RB
IC = hFeIB
IC = Vcc −Vd −VceRcc
Vrb=4,28V.
Vrc=6V.
Montamos el circuito y realizamos las mediciones:
Figura 5.13 Realización de mediciones Vrb, Vrc y Vce en el circuito con diodo LED.
Rellenamos la tabla con valores prácHcos y teóricos.
Parámetro Teórico PrácHco
Ic 16,2mA 15,5mA
Ib 63uA 62,6uA
Vbe 0,7V 0,72V
Vce 1,1V 1,12V
Vrb 4,28V 4,26V
Vrc 6V 5,7V
Tabla 5.3 Resultados de la acHvidad.
IC = 9V −1,5V −1,1V390Ohm
= 16,20mA
VRB = IBRB
VRC = ICRC
Para dibujar la recta de carga en el plano (Vce, Ic) del transistor se seleccionan dos puntos: a) Vce=0, entonces Ic=(Vcc-‐Vd)/Rc, Ic=17,5mA,; b) Ic=0, entonces Vce=Vcc, Vce=9V, figura 5.14, con el punto azul se señala el punto Q de trabajo del transistor.
La diferencia entre los resultados prácHcos y teóricos se debe principalmente a que la caída de tensión en el LED que usamos es de 2,18V y según Kirchhoff tenemos menos tensión en la resistencia del colector y respecHvamente fluye menos corriente, a la ganancia del transistor cuyo valor es dinámico y depende mucho de la corrientes que fluyen en él, a la tolerancia de las resistencias usadas en la pracHca y a las formulas que son una aproximación.
C O N C L U S I Ó N
En esta prácHca hemos aprendido a uHlizar el transistor como interruptor para acHvar y desacHvar una carga. Hemos aprendido el concepto de corte y saturación de un transistor. Ahora somos capaces de hacer los cálculos necesarios para saturar un transistor.
A P É N D I C E
Hojas de datos de los transistores usados en la pracHca:BC547hqp://www.datasheetcatalog.org/datasheets/150/128424_DS.pdf
Figura 5.14 Determinación del punto de trabajo del transistor.