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CORPORACIN UNIVERSITARIA DEL META DEPARTAMENTO DE LABORATORIOS

ASIGNATURA: ELECTRNICA II Y LABORATORIO TEMA: CARACTERISTICAS DEL TRANSITOR DE UNIN BIPOLAR REA: INGENIERA ELECTRNICA LABORATORIO No. 1

1. INTRODUCCIN En este laboratorio el estudiante determinar las curvas caractersticas en varias regiones de operacin, los parmetros del circuito equivalente de pequea seal y los tiempos de conmutacin para uno de los transistores comnmente usados en electrnica: el transistor de unin bipolar (BJT, por sus siglas en ingls). Dos de las aplicaciones ms importantes del BJT son 1) como amplificador en circuitos de electrnica anloga y 2) como interruptor en circuitos digitales. En este laboratorio examinaremos algunas caractersticas de los transistores en esos dos modos de operacin.

2. OBJETIVOS Diferenciar las 4 regiones de operacin del BJT. Identificar la regin de operacin con base en las tensiones VBE y VCE. Determinar los parmetros de pequea seal del BJT.

3. MATERIALES Y REACTIVO (O DE CONSUMO) MATERIALES REACTIVOS O DE CONSUMO Trazador de curvas Equipo Fuente de alimentacin CC Equipo Multmetro digital Equipo Generador de Funciones Equipo Osciloscopio Equipo Placa de pruebas (Protoboard) Consumo Transistor 2N2222, 2N3704 o 2N4400 Consumo Resistencias 100, 5k, 1M, a 1/2W Consumo Resistencias Shunt 1k Consumo

4. MARCO TERICO

4.1 Conceptos bsicos La operacin del BJT se basa en los principios de la unin PN (similares a los de la unin PN del diodo). Como se muestra en la Figura 1, hay dos tipos bsicos de unin: NPN y PNP. En la unin NPN, los electrones son inyectados desde el emisor hacia la delgada regin de base en donde se difunden como portadores minoritarios a travs del colector. Algunos de estos electrones se recombinan con los huecos de la regin de base, por lo cual se produce una pequea corriente

de base . Los electrones restantes alcanzan el colector donde producen la corriente principal de portadores para la corriente de colector . De esta manera si no se inyectan electrones desde el emisor, no habr (al menos) una corriente de colector y, por lo tanto, es la corriente de emisor quien controla la corriente de colector.

Combinando las corrientes en el BJT, la corriente total de emisor est dada por:

= + (1)

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Figura 1. Smbolos del BJT.

Note que la corriente total de emisor es = + , donde es la componente de CC y es la componente variante en el tiempo. El comportamiento del transistor NPN es indicado esquemticamente en la Figura 2 con las polaridades de tensin requeridas para una normal operacin del transistor NPN.

Figura 2. Representacin del transistor NPN en polarizacin directa para la

unin emisor-base y polarizacin inversa para la unin colector-base.

Para la configuracin de la Figura 2, se puede definir la ganancia de CC (en base comn) como:

= (2)

Como es algo menor que , entonces es un nmero menor que uno. Un valor tpico podra ser 0,99. Es tambin prctico definir la ganancia de CC en colector comn como:

= (3)

Utilizando las ecuaciones (1), (2) y (3) se obtiene:

= (1 ) (4)

Si = 0,99 entonces = 99.

Cuando el BJT se usa en un circuito con el puerto emisor-base como entrada y el puerto colector-base como salida (configuracin base comn), de la ecuacin (2) se obtiene que la ganancia de corriente es menor que 1.

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Sin embargo, la polarizacin directa de la unin emisor-base presenta una pequea impedancia, mientras que la polarizacin inversa de la unin colector-base tiene una gran impedancia. Por consiguiente, la ganancia de voltaje es alta. Cuando el BJT es usado con el puerto base-emisor como entrada y el puerto colector-emisor como salida, de la ecuacin (4) se obtiene que la ganancia de voltaje as como la de corriente son altas. Es por esta razn que la configuracin emisor comn es la ms til del BJT en sistemas electrnicos.

Figura 3a. Conexiones en

configuracin de emisor comn para el transistor NPN.

Figura 3b. Salida caracterstica para la configuracin de emisor comn.

La configuracin de emisor comn se muestra en la Figura 3a con la salida caracterstica I-V indicada en la Figura 3b. Note de las curvas caractersticas I-V que la corriente de salida en el colector es controlada por la corriente de entrada en la base de la manera descrita en la ecuacin (3).

4.2 Anlisis grfico Un anlisis grafico del BJT tanto como un interruptor como un amplificador puede ser obtenido de la salida caracterstica I-V por medio de la construccin de la recta de carga. Si tomamos = 10 y = 2 en la Figura 3a, la recta de carga intercepta la salida caracterstica en = 10 y:

=

= 5 (5)

Estos puntos son indicados en la Figura 4. La salidas del transistor y estn entonces restringidas por y de tal manera que solo obtienen los valores a lo largo de la recta de carga indicada.

El punto de operacin en la recta de carga, tambin llamado punto de trabajo o punto Q, es el punto de ajuste para la salida del BJT. Este punto es determinado por la entrada del circuito. Si la corriente de entra no es cero ( = 40) entonces el punto de operacin es establecido en la regin activa entre corte y saturacin.

Si la entrada est en circuito abierto ( = 0 ) entonces la salida del BJT est establecida al valor de . El BJT estar en corte cuando sea bsicamente cero, por lo que toda la tensin de se reflejara en el puerto colector-emisor.

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El BJT estar saturado cuando alcance su valor mximo a lo largo de la recta de carga ( > 25 ). Por lo tanto, el BJT puede ser operado como un interruptor abierto con = 0 y como uno cerrado con = 25 .

Figura 4. Construccin de la recta de carga y anlisis.

Para operar el BJT como un amplificador es necesario establecer el punto de operacin en la regin activa. En este caso, la tensin de entrada de pequea seal (o corriente de base) no causar que la tensin de salida (o corriente de colector) se distorsione producto de las regiones de saturacin o corte. El punto Q, el cual especifica la salida del BJT, es determinado por la interseccin de la

recta de carga y el valor correspondiente de . El valor de es controlado por la entrada del circuito ( y en la configuracin emisor comn de la Figura 3a.

4.3 Circuito equivalente CC La corriente de base puede ser determinada usando el modelo de CC para el BJT, el cual se muestre en la Figura 5. Este circuito equivalente es usado para el funcionamiento del BJT en su regin activa, por lo cual se requiere que el BJT se polarice en su regin activa, es decir, que la unin base-emisor debe estar en polarizacin directa y la unin base-colector en polarizacin inversa.

Figura 5. Modelo CC para el BJT en su regin activa.

Dado que el BJT de base a emisor est en polarizacin directa, este puede ser representado como un diodo polarizado en directa con una cada de tensin ().

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La polarizacin inversa de colector a emisor se asume como una fuente de corriente ideal dependiente con una corriente igual a la ganancia de corriente multiplicada por el valor de la corriente de base, . Este circuito ahora puede ser analizado para determinar la corriente de base. Aplicando LVK para el lazo base-emisor se tiene:

+ + () = 0 (6)

Resolviendo para , se obtiene:

= ()

(7)

Generalmente, () se asume como 0,7 V para un BJT de silicio. Si asumimos

= 4 y = 86 , entonces:

=2 0,7

86 15 (8)

Examinando la Figura 4 se observa que el punto Q para el BJT es donde la curva I-V para = 15 interseca la recta de carga con = 2 . El valor de y de se pueden determinar fcilmente de los valores de las coordenadas del punto Q. En este caso el valor de es aproximadamente 2,9 mA y de es aproximadamente 4,2 V. Note que el valor de tambin puede ser determinado grficamente una vez el punto Q est establecido. De la definicin de en la ecuacin (3), se tiene que = 2,9 15 190 para este ejemplo.

El valor de y de tambin se pueden determinar a partir del modelo CC mostrado en la Figura 5. Aplicando LVK para el lazo colector-emisor, se obtiene:

+ + = 0 (9)

Resolviendo para :

=

(10)

Resolviendo para :

= (11)

De la ecuacin (3) se sabe que:

= (12)

Sustituyendo en la ecuacin (11):

= () (13)

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Continuando con nuestro ejemplo, se tiene entonces que = (190)(15 ) =2,85 y = 10 (2,85 )(2 ) = 4,3 V.

4.4 Circuito equivalente de pequea seal Con el propsito de analizar la operacin del BJT como un amplificador, se utiliza un circuito equivalente de pequea seal. Un circuito equivalente ampliamente usado es el modelo hbrido-, el cual se ilustra en la Figura 6. El uso de este modelo de pequea seal asume que el BJT est operando en su regin activa, es decir, la ubicacin del punto Q est dentro de la regin activa, lo cual permite trabajar con pequeas seales de tensin y corriente alrededor del punto Q.

Figura 6. Modelo hbrido- para el BJT.

En este circuito representa la resistencia que existe entre el terminal de base y la delgada regin de base. Las resistencias en las otras terminales han sido omitidas para simplificar el circuito y debido a su valores despreciables. Sin embargo, los valores tpicos de estas resistencias son:

= 20 200 = 0,5 5 = 10 100

La resistencia representa la resistencia de pequea seal para la unin base-emisor en polarizacin directa. La resistencia es la resistencia para la unin

base-colector en polarizacin inversa. La resistencia es la resistencia efectiva de salida de colecto a emisor. Finalmente es la ganancia de corriente de pequea seal.

Cada parmetro de la Figura 6 puede ser determinado para un BJT dado. Para ello, necesitamos tener en cuenta los efectos de las pequeas variaciones alrededor del punto de operacin en CC (punto Q). Primero, determinemos la resistencia de pequea seal de la unin base-emisor. Visto desde el lado de la base, se tiene que:

=

|=

(14)

Y puede ser demostrado que:

=

(15)

Donde es el voltaje trmico y depende solo de la temperatura de la unin base-emisor. se define como:

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=

(16)

Dnde: k = Constante de Boltzman = 1,30x10-23 J/K.

T = Temperatura absoluta, K = 273 + C.

q = Carga del electrn = 1,602x10-19 C.

A temperatura ambiente, VT = 26 mV. As, a 27 C,

=(26 )

(17)

As, puede ser determinada a partir del punto Q, la temperatura de la unin del transistor y el valor de para el transistor.

Del circuito de pequea seal en la Figura 6 observamos que un pequeo cambio en la corriente a la entrada del transistor (p. ej. la corriente de base) resultar en un cambio de la corriente de salida del transistor (p. ej. la corriente de colector). Estos dos cambios de corriente son relacionados por la ganancia de corriente de

pequea seal o de CA del BJT, . As,

= + / (18)

La ganancia de corriente de pequea seal o de CA puede ser determinada por:

=

|=

(19)

Finalmente, la resistencia de salida de colector a emisor es determinada como:

=

|=

(20)

De acuerdo con lo anterior y analizando la curva caracterstica y el punto Q de la Figura 4:

= (3,9 2)mA

(20 10) A|

=4,3

=1,9 mA

10 A= 190 (21)

Y

=(6 2)

(3,9 2) |

=15

=4 V

1,9 mA 2,1 (22)

La operacin del amplificador en emisor comn mostrado en la Figura 3a puede ser ahora analizado usando el modelo hbrido- de pequea seal. Asuma una seal sinusoidal = 0,5 sin() puesta en serie con VBB como muestra la Figura 7.

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Figura 7. Circuito original con seal de tensin de entrada sinusoidal.

Con el propsito de analizar el circuito, el modelo de pequea seal es utilizado en el circuito original para sustituir el BJT y son eliminadas las tensiones de CC como se muestra en la Figura 8.

Figura 8. Circuito equivalente de pequea seal.

Se procede aplicando LVK en la malla de salida,

= = ( ) (23)

Y

= ( + ) (24)

Por lo tanto,

=

=( )

( + ) (25)

Sustituyendo los en la ecuacin (25), se obtiene:

=

=190 (2 2,1 )

(86 + 1,73 )=

193,8

87,73 2,2 (26)

De esta manera la salida de voltaje es dada por:

= 2,2 = (2,2)(0,5 sin() ) = 1,1 sin() (27)

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El desplazamiento de voltaje puede tambin ser determinado a partir de la curva caracterstica I-V y el punto Q mostrado en la Figura 4. La variacin de la corriente

total de base, , est dada por:

= + (28)

Ya hemos determinado que = = 15 a partir del punto Q. El componente de CA de la corriente de base est dado por:

=

( + )=

0,5 sin()

87,73 = 5,7 sin() (29)

Lo cual quiere decir que la corriente vara 13,7 (o 27,4 pico a pico). De esta manera, durante el medio ciclo positivo la corriente de base cambia desde

15 a 20,7 y durante el medio ciclo negativo cambia de 15 a 9,3 . Graficando este cambio en la Figura 4 y siguiendo la recta de carga resulta que

la corriente de colector 3,9 para = 20,7 y 1,8 para =9,3 . Finalmente, = cambia de aproximadamente de 2,4 a 5,8 lo cual representa un voltaje de salida de 3,4 pico a pico o = 1,7 sin() donde el signo menos representa un desfase de 180 entre las tensiones de entrada y salida.

4.5 Tiempos de conmutacin La conmutacin del transistor no responde instantneamente a las seales de encendido o apagado. En muchas aplicaciones, es importante ser conscientes de la magnitud de los posibles errores causados por un retardo en un circuito de conmutacin y cmo minimizar tales retardos. En la Figura 9 se ilustra la

respuesta de un circuito de conmutacin transistorizado cuando una seal de encendido y apagado es aplicada a la entrada del circuito.

Figura 9. Tiempos de conmutacin del transistor.

Cada segmento de los tiempos de encendido y apagado sern abordados brevemente. Primero, existe un tiempo de retardo (time delay - td). Esto se debe a la capacitancia de carga de espacio y la capacitancia de difusin de la unin base-emisor. Dicha capacitancia se carga a travs de RB antes de que la unin base-emisor sea polarizada directamente. De esta manera, existe un tiempo para que los primeros portadores minoritarios crucen la regin de base; y otro tiempo es requiero para que la corriente de colector alcance el 10% de su valor final.

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El siguiente es el tiempo de alcance (delay time - tr). Este es el tiempo necesario para establecer una concentracin de portadores minoritarios en la regin de

base de tal manera que se alcance un 90% del valor final de . La combinacin de td y tr es el tiempo de encendido (turn-on time tturn-on) el tiempo de alcance puede ser sustancialmente reducido si la corriente de base es ms grande la mnima necesaria para saturar el transistor.

Ahora, asumiendo que la seal fue de suficiente duracin y magnitud para saturar el transistor, es importante considerar el comportamiento al apagado. Primero, existe un tiempo de retencin (storage time - ts). Este tiempo es necesario para limpiar la unin colector-base del exceso de portadores minoritarios y para disminuir al 90% de su valor mximo.

El tiempo de cada (fall time - tf) es el tiempo requerido para que la corriente de salida caiga del 90% al 10% de su valor mximo y depende del tiempo requerido para descargar la capacitancia de colector-emisor y del tiempo requerido para reunir los portadores minoritarios en la base. La combinacin ts y tf es el tiempo de apagado (turn-off time tturn-off). Estos tiempos de conmutacin generalmente son medidos comparando con en un osciloscopio de doble canal. Dependiendo del transistor y del aparato de medida, puede que no sea posible determinar los cuatro tiempos de conmutacin individualmente.

5. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 5.1 Preparacin

5.1.1 Busque las especificaciones de los dispositivos con los que va a trabajar y fotocopie las partes ms importantes para tenerlas disponibles durante la realizacin de la prctica, o averige si dichas especificaciones pueden ser obtenidas a travs de la red del laboratorio para que las pueda observar en la pantalla de su computador. Haga un listado de las caractersticas ms importantes que el fabricante especfica para estos dispositivos, incluyendo una breve explicacin de su significado.

5.1.2 Dados los circuitos mostrados en la Figura 10 y las especificaciones del dispositivo a su disposicin, determine el valor de las resistencias y , el valor pico de la amplitud que puede tener la seal producida por el generador de seales, y el conjunto de tensiones CC que tienen que

aplicarse como y respectivamente, para observar en el osciloscopio las curvas caractersticas de salida vs. con como parmetro en el caso del circuito de la Figura 10a, y las curvas caractersticas vs. con como parmetro en el caso del circuito de la Figura 110b.

5.1.3 Con la ayuda de una hoja de clculo, haga un diagrama de las seales que usted observara en la pantalla del osciloscopio para cada curva caracterstica I-V. Note que para ello usted deber registrar ciertos datos en dicha hoja. Est hoja servir como soporte en su reporte.

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Figura 10a. Caracterstica I-V

del BJT de salida Figura 110b. Caracterstica I-V del

BJT de entrada

5.2 Anlisis de la curvas caractersticas del transistor

5.2.1 A partir de la , , y el determinados en la preparacin del laboratorio, trace la respectiva recta de carga sobre las curvas caractersticas obtenidas en el anterior apartado. Determine y registre un punto de operacin Q sobre la recta de carga. Una polarizacin en la mitad de la recta de carga es una buena aproximacin para la operacin de un amplificador con una mnima distorsin. Especifique , y

para el punto de operacin.Determine y registre , y a partir del anlisis grfico y de las ecuaciones discutidas en el marco terico de este laboratorio.

5.2.2 Finalmente determine y registre el valor de requerido para hacer conmutar el BJT entre carga y saturacin a lo largo de la recta de carga determinada anteriormente.

5.3 Medida de los parmetros del circuito equivalente CC Las medidas de las caractersticas del modelo CC del BJT pueden ser obtenidas usando el circuito de la Figura 12.

Figura 12. Circuito de medicin del BJT.

5.3.1 Construya el circuito anterior con los valores de , y obtenidos anteriormente. La resistencia de base estar ahora dad por una resistencia shunt de 1 k en serie con un trimmer resistivo. Ajuste hasta que el BJT quede polarizado en el punto obtenido anteriormente. Tenga en cuenta que cualquier variacin en la escala de mV en el voltmetro significa una variacin de en A.

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En este punto, registre las medidas apropiadas de , , , , y . Calcule .

5.3.2 Usando el modelo del transistor calcule el valor de requerido para saturar el transistor (Cuidado! No ponga a toda marcha el transistor). Tenga en cuenta que = + . Ahora, cambie el valor del trimmer resistivo lentamente en 5 incrementos entre el valor del punto Q y el valor de saturacin; registrando los valores de , y en cada punto.

5.3.3 Abra el circuito en la conexin de base de tal manera que = 0 y mida la corriente de fuga en el colector con el ampermetro.

5.4 Medida de los parmetros del circuito equivalente de pequea seal Las medidas necesarias para calcular los parmetros del circuito equivalente de pequea seal pueden ser obtenidas implementado el circuito de la Figura 12.

5.4.1 Polarice el BJT en el punto Q determinado anteriormente ajustando =. Trate de mantener lo ms alta posible y vare para obtener . Ahora ajuste para obtener el valor de deseado. Mida y

calcule el valor de . Es el mismo que al anterior? Por qu?. Determine y registre los datos necesarios para calcular y , ajustando de tal manera que se obtenga aproximadamente variaciones de 20% en alrededor de los valores del punto Q. Mida y registre los cambios resultantes en y .

5.4.2 Restablezca para obtener . Ahora determine y registre los datos

necesarios para calcular ajustando de tal manera que se obtenga aproximadamente variaciones de 20% en alrededor de los valores del punto Q. Mida y registre los cambios resultantes en y .

5.5 Prueba de onda cuadrada para el BJT

Conecte el BJT como se indica en la Figura 13 con = 100 , = 10 y = 1 .

Figura 13. Circuito de prueba de onda cuadra para el BJT.

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5.5.1 Establezca la amplitud y el offset del generador de onda cuadrada para controlar el transistor de corte a saturacin. Para lograr esto establezca la amplitud pico a pico del generador de funciones a su valor mnimo y ajuste el offset de tal manera que el BJT se polarice en el punto Q donde

= 5. Incremente el valor salida pico a pico del generador hasta que el BJT conmute entre corte y saturacin. Recuerde que los transistores estn en corte cuando = 0, asegrese que la onda cuadrada va desde cero hasta el valor y la polaridad apropiados del para hacer conmutar el BJT a saturacin. Mida y registre los valores de los tiempos de retardo, alcance, retencin y de cada indicados en la Figura 9. Realice un bosquejo de las formas de onda observadas en el osciloscopio.

6. Establezca alrededor de la mitad del valor requerido para hacer conmutar el BJT en saturacin. No modifique el offset a fin de mantener el punto de operacin Q en la regin activa. Mida y registre tturn-on y tturn-off. No es necesario medir lo dems tiempos de conmutacin del transistor.

7. REPORTE DE RESULTADOS 7.1 Adjunte las caractersticas de sus transistor mostrando la recta de carga obtenida

en 5.2.1 y el punto Q. Identifique los valores de , , y .

7.2 Demuestre su trabajo determinando , y obtenidos en 5.2.1. A partir del anlisis hecho en 5.2.2, indique el valor de necesario para saturar el transistor a partir de la curva caracterstica. Calcule tambin el valor de .

7.3 Teniendo en cuenta sus mediciones en 5.3.2 determine los valores de , ,y

. Compare estos resultados con los que obtuvo de la curva caracterstica en 5.2.1.

7.4 Muestre sus clculos para obtener el valor de requerido para llevar al BJT a la frontera de la zona de saturacin de acuerdo al procedimiento en 5.3.2. Realice

una tabla en donde ilustre las medidas de y a medida que disminuy el valor de desde el punto de operacin Q hasta el valor de saturacin.

7.5 Describa las medidas realizadas y los valores obtenidos para la corriente de fuga en 5.3.3.

7.6 Utilizando las medidas realizadas en 5.4, determina los valores de , y . Compare los valores de y con los valores obtenidos de la curva caracterstica en 5.2.1. Finalmente, compare el valor de obtenido por medio de las medidas realizadas con el valor obtenido tericamente.

7.7 Incluya los parmetros medidos para el BJT en la Figura 6 y determine el voltaje de salida de pequea seal sobre una resistencia de 1 k para una entrada = 1 sin().

7.8 Haga un bosquejo de la forma de onda observada en el osciloscopio cuando el BJT conmuta entre corte y saturacin e indique los tiempos de retardo, alcance, retencin y de cada. Cul es el tiempo de encendido y el de apagado en este caso? Cul es el tiempo de encendido y de apagado cuando el punto Q permanece en la regin activa? Compares estos valores y explique su resultado.

8. PROBLEMA DE DISEO

Es necesario establecer un experimento que permita determinar una adecuada ganancia de corriente para transistores 2N2222 NPN bajo las siguientes especificaciones:

150 para = 25 y 5

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El transistor debe ser aceptado si cumple el criterio anterior, en caso contrario es rechazado.

Usando tan solo una fuente de voltaje CC y dems dispositivos que considere necesarios (resistencias, rels, transistores auxiliares, etc.) disee el circuito necesario para establecer una prueba (pasa no pasa) para transistores NPN de alta ganancia. Para simplificar el problema, asuma que las bobinas de los rels utilizados tienen una gran resistencia, de tal manera que la corriente que las atraviesa es despreciable. Asuma tambin que los contactos de los rels conmutan cuando el voltaje de la bobina es 5. Utilice diodos LED verde y rojo ( = 10 , = 1,5) para determinar si el transistor pasa (verde) o no pasa (rojo) la prueba.

Documente su diseo de la siguiente manera:

Describa brevemente el proceso de diseo.

Disee un diagrama de circuito para probar el transistor.

Defina todos los valores de los componentes usados en su diseo.

9. REFERENCIAS

Sedra, Adel S. y Semith, Kenneth C., Circuitos Microelectrnicos, 5ta Edicin, Oxford University Press, New York, 2004.

Ben G. Streetman, Dispositivos Electrnicos de Estado Slido, 2da Edicin, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1980.

Adir Bar-Lev, Dispositivos Electrnicos y Semiconductores, 2da Edicin, Prentice- Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1984.

Sifferien, T. P., and Vartanian, V., Electrnica Digital, Prentice-Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1970.