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5/17/2018 Informe 3 Legal - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/informe-3-legal 1/28
Universidad del Bio-BioFacultad de IngenieríaDpto. de Ing. Eléctrica y Electrónica.
Informe 3 ‘Circuitos con Transistoresbipolares’
Integrantes: Pablo Anriquez Jara
Erick Pérez
Profesor: Cristian Molina
5/17/2018 Informe 3 Legal - slidepdf.com
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Resumen:
En esta experiencia en su primera parte, se pide armar un circuito con un
transistor 2N2222, con el fin de Polarizar el transistor y llevarlo a la condición de
saturación. Posteriormente, se le inserta un switch al circuito y se utiliza paraverificar los estados de corte y saturación. Finalmente, con el generador de
funciones, se le aplica a la base del transistor una señal cuadrada y nuevamente
se verifican los estados de corte y saturación.
En parte dos, se arma un circuito de polarización bajo la topología de un divisor
de tensión en el circuito de la base, Posteriormente se miden los puntos ‘Q’ y se
comprueba que este optimizado el cto.
En la parte tres, en la base del transistor se le aplican una señal de entrada del
rango de los mV, se aumenta hasta alcanzar una máxima señal de salida sin
distorsión, se mide la señal de entrada y salida y se calcula AV
En la parte cuatro, se le agrega al emisor una resistencia sin by-pass, se
aumenta hasta alcanzar una máxima señal de salida sin distorsión, se mide la
señal de entrada y salida y se calcula AV
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Objetivos:
• Diseñar y ensayar circuitos de polarización para operar en conmutación yen zona activa.
• Diseñar y ensayar circuitos amplificadores en régimen de señalespequeñas, medir sus parámetros de operación en frecuencias medias.
Base Teórica:
Para esta experiencia solo se necesita tener bien claro las leyes Kirchhoff, la ley
de ohm y tener claro cómo funciona el circuito
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Conocimientos Previos:
1. ESPECIFICAR LOS PRINCIPALES PARÀMETROS TÉCNICOS DE LOS
TRANSISTORES SERIE: 2N2222
Características: High current (max 800 mA)
Low Voltage (max 40V)
Vce= 30v.
Aplicación: - Lineales de amplificación y conmutación.
-El 2N2222, también identificado como PN2222, es un transistorbipolar NPN de baja potencia de uso general.
Sirve tanto para aplicaciones de amplificación como de conmutación. Puedeamplificar pequeñas corrientes a tensiones pequeñas o medias; por lo tanto, sólopuede tratar potencias bajas (no mayores de medio vatio). Puede trabajar afrecuencias medianamente altas.
Por todas esas razones, es un transistor de uso general, frecuentementeutilizados en aplicaciones de radio por los constructores aficionados de radios. Esuno de los transistores oficiales utilizados en el BITX. Su versatilidad ha
permitido incluso al club de radioaficionados Norcal lanzar en 1999 un desafío deconstruir un transceptor de radio utilizando únicamente hasta 22 ejemplares deeste transistor - y ningún circuito integrado.
-El 2N2222 es fabricado en diferentes formatos, los más comunesson los TO-92, TO-18, SOT-23, y SOT-223.
PIN 1: Emisor
PIN 2: Base
PIN 3: Colector
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2. DISEÑE CIRCUITOS QUE OPEREN EN LOS ESTADOS DE CORTE Y SATURACIÓN, COMO ESTADO INICIAL. IMPLEMENTE 2 FORMAS DECONMUTAR ESTOS CIRCUITOS.
Con el switch abierto toda la corriente que circula por R2, también lo hace
a través de la base del transistor. En caso contrario cuando el switch está
cerrado, toda la corriente pasa directo a tierra, siendo la corriente de base igual
a cero. Al no haber corriente de colector en teoría, por lo tanto la tensión de Vceserá igual a Vcc.
Con el switch abierto, la corriente de colector es máxima y el Vce es
mínimo pero no cero.
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Un segundo método para conmutar de estado de saturación al estado de
corte, es agregar una señal TTL en la base del transistor para que cuando la
señal de entrada sea “1” lógico, la señal se mantenga en saturación y cuando la
entrada sea ”0” lógico la señal de salida haya cambiado al estado de corte.
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En este circuito veremos la señal de entrada, que es la señal que veremos en la
base del transistor, y la señal de salida que es la tensión Vce.
3. DISEÑE UN CIRCUITO DE POLARIZACIÓN QUE OPERE EN LA ZONAMEDIA DE LAS CARACTERÍSTICAS V/A DE COLECTOR. ESPECIFIQUELOS FACTORES QUE INFLUYEN EN LA ESTABILIDAD DEL PUNTO DEPOLARIZACIÓN DEL CIRCUITO PROPUESTO.
Re no puede ser muy grande (generalmente menor que 1K Ω). La gananciade tensión y de corriente del amplificador, se reduce considerablemente. Puede
bajar hasta un 10%.
Re no puede ser muy grande (generalmente menor que 1K Ω). La
ganancia de tensión y de corriente del amplificador, se reduce
considerablemente. Puede bajar hasta un 10%. Las resistencias de base
r1 y r2 ya que de estas depende IB la cual es la corriente de entrada al
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transistor y determina la corriente de salida como IC= B *IB, La
resistencia RC y Re determinan la corriente máxima del circuito la cual
está dada porRe
MAX
Vcc Ic
Rc=
+
El Voltaje VCEq es otro parámetro a considerar en la estabilidad del
circuito, el cual es el voltaje entre colector y emisor el cual determinan elmáximo voltaje en la base que podría aplicarse sin distorsión.
4. DISEÑE UN CIRCUITO AMPLIFICADOR DISPUESTO EN E.C. QUECUMPLA CON LAS SIGUIENTES CONDICIONES:-Vcc= 12V, Zin> 1.5K Ω, Ro= 2.2K Ω, Av> 50.
Circuito equivalente en alterna:
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225 10hie
Icqβ −
× ×= :
Av: * *Vo ib Vo ib
Vi ib ib Vi=
A la salida tenemos:Vo
ib= -hfe x (Rc//Rl); Ze= (hfe+1)Re
Me doy el Rc por el criterio de máxima transferencia de potencia (Rc=Rl),
como Ro=2,2K Ω, puedo asumir Rc=2,2K Ω
A la entrada tenemos:ib
Vi=
1
hie Ze+→ Av=
( / / )hfe Rc RL
hie Ze
×−
+
-50=3
160 1.1
25 10160 161 Re
CQ
K
I
−
− × Ω
×× + ×
(1)
Usando criterio de máxima excursión: CQ I = Vcc Rcc Rac+
CQ I =Re Re ( / / )
Vcc
Rc Rc RL+ + +=
12
2.2 2 Re (2.2 / /2.2 ) K K K + + (2)
Ahora si despejamos Re de (1) y de (2)
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-50=3
160 1.1
25 10160 161 Re
12
2.2 2 Re (2.2 / /2.2 )
K
K K K
−
− × Ω
×× + ×
+ +
Re= 14.97 Ω
Reemplazando Re, en la ecuación de CQ I Tenemos:
123, 6
2.2 2*(14,97) (2.2 / /2.2 )CQ CQ I I mA
K K K = ⇒ =
+ +
Reemplazando CQ I , en la ecuación de hie Tenemos:
hie=325 10
160
3.6mA
−×
× = 1.1K Ω
Despejando Rb, de la ecuación siguiente Tenemos:
Zi= Rb//hie+Ze
1.5kΩ=Rb//1.1K + (160+1)x 14.97
Rb=2.62K Ω
Vbb=
1
1 R 2
R Vcc
R
×
+ X
2
2
R
R =Rb x 2
Vcc
R R2=→
Rb Vcc
Vbb
×
(3)
-Vbb + Ibq x Rb + Vbeq + Re x Icq= 0
Despejando Vbb= 812mV
De (3) obtengo R2=2, 62 *12
2 39,46812
Rb Vcc K R K
Vbb mV
× Ω= ⇒ = Ω
R1 x Vbb + R2 x Vbb = R1 x Vcc
R1=
2 39, 46 *812
1 3,919 812
R Vbb K mV
R K Vcc Vbb mV
× Ω
= ⇒ = Ω− −
∴ El diseño de nuestro circuito quedaría con:
Rc= 2,2K Ω; Rl= 2,2K Ω; RE= 14,97Ω; R1= 3,91K Ω; R2=39,46K Ω
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Experiencia, Resultados y análisis:
Punto 1: CIRCUITO DE POLARIZACIÓN EN SATURACIÓN.
1.1.- Arme en la placa de ensayo el circuito que permita polarizar en estado de saturación empleando un transistor 2N2222.
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1.2.- Mida los parámetros que permitan verificar la condición desaturación.
Para verificar si el circuito propuesto se encuentra en saturación haremos
los siguientes cálculos.
Considerando que:
Ic = Ib*β, Vbe= 0.7V, β=160
99
1
CC
CQC
V V I mA
R K = = =
Ω
( * ) 9 (1 *9 ) 0CEQ CC C CQV V R I K mA V = − = − Ω =
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1.3.- Aplique los procedimientos adecuados para conmutar el circuito.
-insertando un switch al circuito.
Con el switch ‘cerrado’ la corriente de la base será de 0 A y por lo
tanto el transistor estará en ‘corte’ y todo el voltaje de la fuente caerá en
la juntura de CEQV
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Con el switch ‘abierto’ la corriente de la base, entrara a la base del
transistor polarizando la juntura BEQV permitiendo la corriente de colector que
está determinada por:9
91
CC MAX
V IC mA
RC K = = =
Ω, el Voltaje de la juntura CEQV
tiende a cero Volts.
-aplicando una señal de onda cuadrada tipo TTL.Se reemplazó el swich del dibujo por una señal cuadrada generada por el
generador de funciones. Este último fue ajustado a una frecuencia de aprox 5
Khz y un valor peak de 3 V con un valor medio de 1.5 V. La figura muestra locomo siguió el circuito:
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En el dibujo se muestra la conexión del osciloscopio. Este mostró la siguiente
señal de entrada y salida:
*Nota: Se aplicó un corrimiento en el osciloscopio para que las señales se pudieran apreciar mejor
*Nota: Las señales están a diferente escala.
De esta forma se puede concluir que la señal de entrada en la base es de 0
hasta 0,7 V aproximadamente, mientras que el voltaje entre el colector y el
emisor es de de 5 a 0 V. También, se aprecia claramente el desfase de 180°
entre las señales de entrada y de salida.
Punto 2.- CIRCUITO DE POLARIZACIÓN EN REGIÓN ACTIVA.
2.1.- Arme en la placa de ensayo un circuito de polarización bajo
la topología de divisor de tensión en el circuito de base, según el
diseño preliminar.
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Ocupando el criterio de estabilidad de B, se encuentra Rb, de la siguiente forma:
0,1( 1) 0,1(160 1) * 400 6, 44 RB RE RB RB K β = + ⇒ = + ⇒ = Ω
* * 0 BB CQ BEQ CQ
RBV I V RE I
β − + + + =
3
2 11
1 2 1 1
12 2
( )
6,440,7 3,89 10 ( 400)
160
2,41
* 9* * * 6,44 * 1 24
2,41
* 24 * 2, 418,7
9 2,41
BB BEQ CQ
BB
BB
CC CC CC BB
BB
BB
CC BB
RBV V I RE
K V x
V V
R V V V RV RB R RB K R K
R R R R V
R V K R R K
V V
β
−
= + +
= + +
=
= = ⇒ = = ⇒ = Ω+
Ω= = ⇒ = Ω
− −
Se determina que R1=24K Ω y R2=8,7K Ω
2.2.- Mida los parámetros del punto de trabajo estático (punto Q)
Cto BE:
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* * 0
2, 41 0, 73,89
6,4400
160
BB CQ BEQ CQ
BB BEQ
CQ CQ
RBV I V RE I
V V V V I I mA
RB K RE
β
β
− + + + =
− −= = ⇒ =
Ω+ + Ω
Cto CE:
3
* * 0
( ) 9 3,89 10 (1 400)
3,55
CC CQ CEQ CQ
CEQ CC CQ
CEQ
V RC I V RE I
V V I RC RE x K
V V
−
− + + + =
= − + = − Ω +
=
A pesar de que no nos dio el valor exacto, el resultado que marco el multitester
está muy aproximado al valor esperado
2.3.- Verifique la posición del punto Q, de tal manera que se
ubique en la zona media de las características, levemente
desviado hacia la saturación.
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Análisis en ac:
Re 0,5
1( )
ReCQ CEQ
q K
iC I Vce V q
= Ω
− = −−
3
0
3,554| 3,89 10
Re 0,510,99
CE
CEQ
MAX V MAX CQ
MAX
V V iC iC I x
q K iC mA
−
=⇒ = + = +
Ω
=
0| * Re 3,89 * 0, 5 3, 55
5,49
MAX iC MAX CQ CEQ
MAX
vCE vCE I q V mA K
vCE V
=⇒ = + = Ω +
=
Punto 3: ENSAYO DE UN AMPLIFICADOR EN EMISORCOMÚN.
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3.1- Empleando el circuito de polarización del punto anterior,
implemente un amplificador en E.C. que cumpla las condiciones
de diseño especificadas en el estudio preliminar
Puntos Q: Icq= 3.89mA, Vceq= 2.368v
3 3
3
25 10 25 10* 160*
3,89 10
1
CQ
x xhie
I x
hie K
β − −
−= =
= Ω
* *Vl ib Vl ib AvVi ib ib Vi
= =
( / / )
1
VL Rc Rl hfe
ib
ib
Vi hie
= −
=
( / / ) * 1 / /1*160
1
80
Rc Rl hfe K K Av
hie K
Av
−= =
= −
3.2- Aplique una señal sinusoidal a la entrada del amplificador
con una frecuencia de kHz, varíe el nivel de voltaje, en el rango
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de los milivolts, hasta lograr una señal de salida máxima sin
distorsión de amplitud
Para determinar la máxima señal de entrada sin distorsión o recorte a la salida,
lo que se izó fue aumentar paulatinamente la señal de entrada hasta apreciar
una distorsión a la salida y en ese momento se procede a medir la entrada, locual se mostrara a continuación:
Fig A
FigB
Como se aprecia en los controles del osciloscopio, justo antes de que se recorte
la onda se midio la señal de entrada la cual se determinó de la siguiente manera:
( ) ( / )1, 2 * 0, 2 240divisiones p p Volts DivVi V mV
−= =
∴ La máxima señal a la entrada del transistor es 240mV
3.3- Mida los niveles de señal de
entrada y salida con el fin de
determinar AV
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Fig A
Fig B
Fig C
En la figura A, se aprecia las conexiones, en la figura B, se muestran, la señal deentrada y la señal de salida, la señal de entrada está a una escala de 50mV P-Pen el Volts/div del osciloscopio y la señal de salida se encuentra a una escala de2Volt/Div p-p, como se aprecia en la fig C. Por lo tanto como sabemos el Vol/div ypodemos contar la cantidad de divisiones, podemos calcular el voltaje de ambasseñales y calcular experimentalmente la ganancia de tención, lo cual está dado:
( ) ( / )
( ) ( / )
. . :
2, 4 *50 65
. . :
2, 6 * 2 5, 2
. . :
5,280
65
divisiones p p Volts div p p
divisiones p p Volts div p p
p p
p p
Señal de Entrada
Vi mV mV
Señal de Salida
Vo V V
Ganancia de Tención
V Vl Av Av
Vi mV
− −
− −
−
−
= =
= =
= − = − ⇒ = −
*el signo menos de Av, se debe a que la señal de salida está desfasada de la señal de entrada, lo cual se
aprecia en la Fig B
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Punto 4: ENSAYO DE UN AMPLIFICADOR EN EMISOR COMÚNMODIFICADO
4.1 Arme en la placa de ensayos el circuito en E.C.
modificado, insertando un resistor sin by-pass en la red
de emisor. Esta modificación introduce unarealimentación negativa al circuito anterior, modificando
sus parámetros dinámicos.
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4.2 Compruebe la posición del punto Q, previo al trabajo
dinámico.
1* 2 24 *8, 76,381 2 24 8, 7
9 * 8, 72,39
24 8, 7
R R K K RB RB K R R K K
V K VBB VBB V
K K
Ω Ω
= = ⇒ = Ω+ Ω + Ω
Ω= ⇒ =
Ω + Ω
Por lo tanto:
Rb= 6.38K Ω
Vbb= 2.39v
En c.c
3
. :
* * 0
2,39 0,72,41
6,38660
160
. :
* * 0
( ) 9 2,41 10 (1 660 )
5
CQ BEQ CQ
BEQ
CQ CQ
CQ CEQ CQ
CEQ CQ
CEQ
CtoCB
RBVBB I V RE I
VBB V I I mA
RB K RE
CtoCE
VCC RC I V RE I
V VCC I RC RE x K
V V
β
β
−
− + + + =
− −= = ⇒ =
Ω+ +
− + + + =
= − + = − Ω + Ω
=
Puntos Q: Icq=2.41mA, Vceq= 5v
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3.3- Aplique una señal sinusoidal a la entrada del amplificador
con una frecuencia de kHz, varíe el nivel de voltaje, en el rango
de los milivolts, hasta lograr una señal de salida máxima sin
distorsión de amplitud
Fig 1
Fig2
En la fig 1 se muestra la señal de entrada abajo y arriba la señal de salida, en la
fig 2 se muestra los controles del osciloscopio, la señal de entrada está a una
escala de 1 Volts/div P-P. La señal de salita también está a una escala de 1
Vots/div P-P
( ) / ( )1, 6 *1diviciones Volts div p pVi Vi−
= ⇒
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3.4- Mida los niveles de señal de entrada y salida con el fin de
determinar AV
260Ω2
25 10hie Icqβ
−
× ×= =1.66kΩ
Av=Vl
ibx
ib
Vi
Vl
ib=hfe(Rc//RL)= 80x 3
10
Ze=(hfe+1)x260=41860Ω
ib
Vi
=1
hie Ze+
= 22.98x 610−
Av= -80x 310 x22.98x 610− = -1.83
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Fig AFig B
En la figura A, se muestra la señal de entrada y la señal de salida, la señal deentrada está a una escala de 0, 1V P-P en el Volts/div del osciloscopio y la señalde salida se encuentra a una escala de 0,1Volt/Div p-p, como se aprecia en la figA. Por lo tanto como sabemos el Vol/div y podemos contar la cantidad dedivisiones, podemos calcular el voltaje de ambas señales y calcularexperimentalmente la ganancia de tención, lo cual está dado:
( . . ) ( / )
( . . ) ( / )
2, 2 * 0,1 220
1, 2 * 0,1 120
2201,83
120
divisiones del osciloscopio Volts div p p
divisiones del osciloscopio Volts div p p
Vl Vi mV
Vi Vl mV
Vl mV Av Av
Vi mV
−
−
= ⇒ =
= ⇒ =
= − = − ⇒ = −
*el signo menos de Av, se debe a que la señal de salida está desfasada de la
señal de entrada, lo cual se aprecia en la Fig B
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Conclusiones:
• Se puede apreciar claramente en principio que eltransistor puede funcionar perfectamente como swich,donde básicamente tiene solo 2 estados: corte y saturación.Este principio utilizado en los sistemas digitales y en lasfamosas fuentes swich, donde 1 o 2 transistores sonutilizados para entregar o cortar el paso de corriente a untransformador dando origen a fuentes de poder muyeficientes. Cuando el transistor conduce su voltaje Vce esmuy bajo (próximo a 0), disipando muy poca potencia.
Cuando corta, la corriente que circula por él es nula y nodisipa energía. En teoría, como estos 2 estados son losúnicos que tiene, no disiparía energía en forma de calor. Enla práctica vemos que no es así, pues el tiempo que demoraen cambiar de estado de corte al de saturación y elpequeño pero no despreciable Vce que aumenta cuandoconduce grandes corrientes lo obligan a disiparla. Aun así,esta potencia disipada es muy pequeña.
• Las señales obtenidas con el osciloscopio demostrabanla teoría. La gran amplificación de la señal tuvo un desfase
de 180º de la salida respecto de la entrada.
• El análisis teórico de estos circuitos llama a separar elanálisis estático del dinámico. Esto quedó demostrado yaque aunque las rectas de operación obtenidas (nograficadas) eran distintas, el punto de operación estáticofue el mismo que el punto de operación dinámico.
• Este amplificador tuvo una gran ganancia cuando se lecoloca un condensador en el emisor (un bypass). Fuecomplejo el cálculo para inyectar una corriente losuficientemente pequeña tal que la salida no sufrieradistorsiones. La ganancia que se obtuvo con esteamplificador fue superior a los 100, lo cual demuestra quelos amplificadores no podrían existir si no fuera por lostransistores (o almenos sus antiguos equivalentes, que sonlas válvulas al vacio, tríodos, pentodos, etc.).
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• Es extremadamente grande la diferencia de gananciaque se tiene al agregarle una resistencia a la salida delemisor del transistor. Cuando se le conecta unarealimentación, la ganancia baja mucho (En la experiencia,de más de 200 hasta apenas 19). A su vez, hay que destacar
lo mucho que se incrementó la impedancia de entrada (De1.5 K hasta 20 K ), lo cual es de suma importancia deΩ Ω acuerdo al circuito que se esté utilizando.
Bibliografía:
Boylestad, ‘electronica: Teoría de circuitos’
Malvino, ‘Principios de Electronica’