Download Guía 5

Electrónica I. Guía 5
1 / 12
Facultad: Ingeniería.
Escuela: Electrónica.
Asignatura: Electrónica I.
Lugar de ejecución: Fundamentos Generales,
aula 3.21 (Edificio 3, 2da planta).
CARACTERISTICAS DEL TRANSISTOR BJT
Objetivos generales

Verificar el funcionamiento de un transistor de unión bipolar en corriente directa.
Objetivos específicos




Graficar las curvas características de entrada y de ganancia de corriente (β) de un transistor bipolar.
Graficar la familia de curvas características de salida a partir de valores medidos.
Identificar en la familia de curvas características de salida las zonas de funcionamiento del transistor
bipolar (activa, saturación y corte).
Familiarizarse con el simulador electrónico Qucs.
Materiales y equipo









1 Unidad PU-2000 con PU-2200.
1 Placa DEGEM EB-111.
1 Osciloscopio digital PicoScope 2204A.
1 Computadora con el software PicoScope 6
1 Cable USB tipo A/B
2 cables de conexión para osciloscopio.
2 Cables de conexión para el multímetro.
1 Cable de conexión para el PU-2000.
1 Transistor BJT: 2N2050
Introducción teórica
Transistor de unión bipolar
La invención del transistor fue el inicio de una revolución que aún continua. Todos los sistemas y dispositivos
electrónicos complejos actuales son el resultado de los primeros desarrollos de transistores semiconductores. Uno
de estos tipos básicos de transistores es el transistor de unión bipolar (BJT, bipolar junction transistor).
2 / 12
Electrónica I. Guía 5
El BJT, se construye con tres regiones semiconductoras separadas por dos uniones pn, como lo muestra la
estructura plana epitaxial1 de la Figura 1. Las tres regiones se llaman emisor, base y colector. En la Figura 2 se
muestran representaciones físicas de los dos tipos de BJT. Un tipo se compone de dos regiones n separadas por
una región p (npn) y el otro tipo consta de dos regiones p separadas por una región n (pnp). El término bipolar se
refiere al uso tanto de huecos como de electrones como portadores de corriente en la estructura de transistor.
Figura 1. Estructura plana epitaxial básica
(a) npn
(b) pnp
Figura 2. Tipos de BJT, estructura y símbolo
El transistor bipolar es un dispositivo amplificador de corrientes, pudiendo hacerse una comparación con una
llave de agua en la cual, por medio de la llave se regula el flujo, así también, regulando la corriente en la juntura
base-emisor, puede limitarse la corriente que existe entre los terminales de colector y emisor. Es muy importante
considerar las condiciones de corte y saturación de un transistor, ya que puede distorsionar las señales que
amplifica obteniéndose resultados no deseados en amplificadores de señal.
PARÁMETRO ELÉCTRICO RELEVANTE
CONDICIÓN DEL BJT
Corriente de colector = 0 A.
Corte.
Voltaje entre colector y emisor = 0 V.
Saturación.
Ninguna de las anteriores.
Conducción – región activa.
Tabla 1. Características principales de las zonas de operación del BJT.
La ganancia de corriente, o "beta" (β), del transistor conectado en configuración de emisor común, puede ser
calculada a partir de los valores medidos de las corrientes de base y de colector:
1
Se refiere a la deposición de una sobrecapa cristalina en un sustrato cristalino, donde hay registro entre la sobrecapa y el
sustrato.
Electrónica I. Guía 5
I
Ganancia de corriente = β = IC
B
3 / 12
Ecuación 1
En transistores ideales, β es un valor constante, por ejemplo 125. En transistores reales, el valor de β
cambia al cambiar la corriente de base. En la característica de salida del transistor puede apreciarse la relación
entre la corriente de base, la corriente de colector y la tensión colector-emisor. Esta relación es mostrada mediante
una familia de curvas características.
La Figura 3, ilustra la operación básica de un BJT como dispositivo de conmutación. En la parte a), el transistor
está en la región de corte porque la unión base-emisor no está polarizada en directa. En esta condición, existe,
idealmente, una abertura entre el colector y el emisor, como lo indica el equivalente de interruptor. En la parte b),
el transistor está en la región de saturación porque la unión base-emisor y la unión base-colector están polarizadas
en directa y la corriente en la base llega a ser suficientemente grande para provocar que la corriente en el colector
alcance su valor de saturación. En esta condición, existe, idealmente, un corto entre el colector y el emisor, como
lo indica el equivalente de interruptor. En realidad, normalmente ocurre una pequeña caída de voltaje a través del
transistor de unos cuantos décimos de volt, la cual es el voltaje de saturación, VCE (sat).
(a) Corte – Interruptor abierto.
(b) Saturación – Interruptor cerrado.
Figura 3. Acción de conmutación de un transistor.
Figura 4. Tipos de encapsulados de transistores.
(c) Aplicación de operación (a) y (b)
4 / 12
Electrónica I. Guía 5
Simulador electrónico Qucs.
Qucs (Quite Universal Circuit Simulator) es un programa gratuito, multiplataforma y de código abierto,
capaz de configurar un circuito con una interfaz gráfica de usuario (GUI), la cual es muy avanzada y
permite la creación de esquemas y la presentación de resultados de la simulación en diversos tipos de
diagramas. Análisis DC, AC, de parámetro-S, de ruido y transitorio son posibles de realizar, además
están disponibles ecuaciones matemáticas y el uso de una jerarquía sub-circuito (con sub-circuitos
parametrizados). Qucs también puede importar modelos SPICE existentes para su uso en sus
simulaciones.
Figura 5. Logo del simulador electrónico Qucs.
Procedimiento
PARTE I: Prueba de transistores bipolares con el multímetro (escala de diodos).
1. Con el encapsulado viendo los terminales de frente enumérelos a su conveniencia, obteniendo así los
terminales 1, 2 y 3.
2. Haciendo uso del tester, llene la Tabla 2. Conecte el terminal del tester en el terminal del transistor que se
indica, anotando la lectura del mismo en la última columna.
Terminal 1
Terminal 2
+
+
+
-
+
-
Terminal 3
Valor medido
+
+
Tabla 2. Medición de comprobación de estado de un BJT.
3. Qué tipo de transistor se ha medido pnp o npn: ________.
4. Según las mediciones efectuadas, determine la función de los terminales. (Base, colector, emisor)
Terminal 1 Terminal 2 Terminal 3
Tabla 3. Determinación de los terminales de un BJT.
PARTE II. Características de Entrada del Transistor Bipolar.
5. Introduzca la tarjeta EB-111 por las guías del PU-2000 hasta el conector.
6. Busque el circuito de la Figura 6, que contiene a Q1. Está ubicado en la esquina superior derecha de la tarjeta,
coloque el amperímetro y la punta de osciloscopio en los puntos que se indican (recuerde ajustar el acople en
DC).
Electrónica I. Guía 5
5 / 12
7. Anote el código del transistor de la tarjeta EB111, que está ubicado en el circuito de la Figura 6:___________.
Figura 6. Medición de la corriente de base (IB) y voltaje base a emisor (VBE).
8. Ajuste RV1 para obtener los valores de corriente de base que se indican en la Tabla 4, para cada valor de
corriente de base mida también la tensión de base a emisor (Canal A) y anótelos en la misma Tabla.
IB(uA)-Nominal
5-10
16-25
30-50
120-200
IB(uA)-Real
VBE(V)
Tabla 4. Corriente de base (IB) y voltaje base a emisor (VBE).
PARTE III. Ganancia de corriente.
9. Ajuste el valor de PS-1 a 0.0 V.
10. Arme el circuito que se muestra en la Figura 7.
Figura 7. Medición de ganancia de corriente.
11.
12.
13.
14.
Ajuste a RV1 para obtener una corriente de base de 10µA.
Ajuste el valor de PS-1 a 10.0 V (Canal B).
Mida el valor del voltaje entre el colector y el emisor VCE (Canal A). Anótelo en la Tabla 5.
Varíe la corriente de base con el potenciómetro RV1 como se indica en la Tabla 5, anote los valores de VCE
(canal A), también anote los valores de PS-1 (canal B) y calcule con la Ecuación 2 la corriente IC; luego divida
el valor de la corriente de colector entre la corriente de base para completar la Tabla 5.
6 / 12
Electrónica I. Guía 5
NOTA: R5=470Ω
𝐼𝐶 =
Ib (uA)
10
20
30
𝑉𝑅5 𝑉𝑝𝑠−1 − 𝑉𝐶𝐸
=
𝑅5
470Ω
40
50
60
Ecuación 2.
70
80
90
100
VCE (V)
VPS-1 (V)
Ic (mA)
𝛃=
𝐈𝐂
𝐈𝐁
Tabla 5. Medición de ganancia de corriente con Vce variable.
15. Por último calcule el  del transistor.
16. Ajuste VCE a 1.0 V (canal A).
NOTA: Debe monitorear continuamente este valor para asegurarse que se mantiene constante en lo que
falta del procedimiento.
17. Arme el circuito que se muestra en la Figura 8. Dado que solo cuenta con un amperímetro, en el
procedimiento primero ajuste Ic y luego traslade el amperímetro a lado de la fuente de 5V.
Figura 8. Medición de la ganancia de corriente con Vce constante.
18. Ajuste RV1 hasta que Ic sea 1.0 mA
19. Con cuidado de colocar la escala de voltaje en el multímetro mida el valor del voltaje en R4 (22 kΩ).
Anótelo en Tabla 6.
20. Con cuidado de colocar la escala de corriente en el multímetro mida el valor de la IB. Anótelo en Tabla 6.
21. Por último calcule el  del transistor.
Electrónica I. Guía 5
Ic (mA)
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
9.0
7 / 12
10.0
VR4 (V)
Ib (A)
𝛃=
𝐈𝐂
𝐈𝐁
Tabla 6. Medición de ganancia de corriente.
22. Repita los pasos 18 al 21 para los diferentes valores de Ic, tenga cuidado de cambiar las escalas del
multímetro cuando mida corriente o voltaje.
23. Usando los datos obtenidos anteriormente complete la Tabla 6.
24. Apague la fuente del PU2000 y retire la tarjeta EB111.
PARTE IV. Simule en Qucs las características de Salida del Transistor Bipolar.
25. Encienda la computadora, al cargar sistema operativo presione la combinación de teclas: Ctrl + Alt + t.
26. En la ventana del terminal escriba la palabra qucs y presione Enter. Se desplegará la ventana del simulador.
27. Para crear un nuevo proyecto de un clic en la pestaña vertical Proyectos y luego en el botón Nuevo,
colóquele un nombre y presione Crear. (Ver Figura 9).
Figura 9. Crear proyecto nuevo.
28. Para agregar los elementos del circuito de clic en la pestaña vertical Componentes y luego en categorías
seleccione componentes sueltos (lumped components) tal como se muestra en la Figura 10.
8 / 12
Electrónica I. Guía 5
Figura 10. Insertar componentes del circuito.
29. De un clic en el componente Tierra para seleccionarlo y luego arrástrelo a la ventana del esquemático (en
algunas versiones no debe arrastrarlo sino solo dar clic sobre este para seleccionarlo y luego dar clic en la
posición de la ventana del esquemático donde quiere colocarlo. Para liberar el componente es necesario
presionar la tecla ESC).
30. En la categoría Fuentes (sources) seleccione Fuente de tensión DC y colóquela en el esquemático y luego
coloque una Fuente de intensidad DC.
31. Ahora de clic en la pestaña vertical Libraries, luego en la opción Manage Libraries 2, se abrirá la ventana de
herramientas de librería, en Selección de Componente elija Transistors y de estos de clic en 2N2222A (ver
Figura 11), luego arrástrelo hacia la ventana o de clic en el botón copiar al portapapeles y luego de clic
derecho en la ventana del esquemático y en el menú que aparece de clic en Pegar y cierre la ventana de
herramientas de librería.
Figura 11. Insertar transistor 2N2222A.
2
Es necesario insertar el componente desde el administrador debido a que algunas versiones de Qucs (entre las cuales se
encuentra la instalada en el laboratorio) ocurre un error en la simulación para ciertos componentes, los cuales no se
inicializan correctamente si se arrastran directamente desde la librería.
Electrónica I. Guía 5
32. Para rotar los componentes utilice el botón Rotar que tiene la siguiente forma
componentes de clic en el botón Cable
9 / 12
y para unir los
. El circuito debe quedar como el mostrado en la Figura 12.
Figura 12. Circuito a simular sin configurar.
33. De clic en el botón Insertar ecuación con la siguiente forma
y coloque la Ecuación junto al circuito.
34. De clic derecho en la Ecuación que colocó y en el menú que aparece seleccione Editar Propiedades.
Figura 13. Editar propiedades del componente.
35. Coloque las propiedades que se muestran en la Figura 14 y presione el botón Aceptar.
Figura 14. Asignación de ecuación.
36.
Edite las propiedades de la Fuente de intensidad DC y de la Fuente de tensión DC como se muestra en la
Figura 15 (a) y (b) respectivamente.
10 / 12 Electrónica I. Guía 5
Figura 15. Editar propiedades a) Fuente de intensidad DC y b) Fuente de tensión DC
37. De la pestaña vertical Componentes seleccione en la categoría de Simulaciones (simulations) un
componente llamado Simulación dc y agréguelo al esquemático.
38. De la misma pestaña y categoría agregue al esquemático 2 componentes de Parámetro de barrido.
39. Edite las propiedades de estos dos componentes como se muestra en la Figura 16.
Figura 16. Configuración de los elementos Parámetro de barrido.
40. Proceda a guardar el esquemático dando clic en el menú Archivo y luego en Guardar como.
41. Simule el circuito presionando el botón Simular que tiene la siguiente forma
o presione la tecla F2, se
abrirá otra pestaña con la extensión .dlp, regrese a la pestaña del esquemático y agregue junto al circuito un
componente Cartesiano que se encuentra en Componentes >> Diagramas.
42. En la ventana que se abre de doble clic izquierdo sobre Ic para que aparezca en las opciones que se quieren
graficar (Ver Figura 17) y luego de clic en el botón Aceptar.
Electrónica I. Guía 5
11 / 12
Figura 17. Editar las propiedades del diagrama.
43. Aparecerán en el gráfico las curvas características del transistor, seleccione la herramienta Poner marcas en
el gráfico y de clic sobre algunas de las curvas para ver la información de estas.
Figura 18. Gráficas obtenidas en la simulación.
44. Guarde la simulación y apague la computadora.
45. Deje en orden y limpio su puesto de trabajo.
Análisis de Resultados
1. Usando los datos de la Tabla 4, grafique la relación IB vrs. VBE. Realice el grafico para un valor inicial de IB de
0 A.
2. Usando los datos de la Tabla 5, grafique la relación IC vrs. IB. Realice el grafico para un valor inicial de IB de 0
12 / 12 Electrónica I. Guía 5
A.
3. Usando los datos de la Tabla 6, grafique la relación  vrs. IC, cuando VCE = 1.0V. Realice el grafico para un
valor inicial de IC de 0 mA.
4. En la gráfica obtenida en el punto 43 de esta guía identifique las zonas de funcionamiento del transistor
bipolar.
5. Para cada una de las gráficas de la familia de curvas del punto anterior calcule el valor de  en la zona lineal.
Investigación Complementaria
1)
Diseñe e implemente un circuito que encienda una carga de 110 Vrms (foco con su respectiva roseta o motor)
por medio de la conmutación de un transistor (operación de corte y/o saturación) 3 y un relé electromecánico
(Ver Figura 3c) cuando tenga en su entrada un voltaje de 3.3Vdc. La implementación que realice además de
ser funcional debe ofrecer seguridad tanto para el circuito como para el usuario.
Bibliografía





3
Floyd, T. “Dispositivos Electrónicos”, octava edición. PEARSON 2008.
Boylestad, R-Nashelsky, L. “Electrónica: Teoría de Circuitos y dispositivos electrónicos”, décima edición.
PRENTICE HALL 2009.
DEGEM SYSTEMS “Curso EB-111 Fundamentos de los semiconductores I”, Primera edición. I.T.S Inter
Training Systems Ltd 1993.
Savant, C. - Roden M. - Carpenter G. “Diseño electrónico: Circuitos y sistemas”, tercera edición. PRENTICE
HALL 2000.
Departamento de Electricidad y Electrónica de I.E.S María Moliner (s.f). “Transistores”. Consultado en
febrero de 2017 en:
http://www.ele-mariamoliner.dyndns.org/~jsalgado/analogica/7transistores.pdf
Revisar tema 4.15, página 206 de Electrónica teoría de circuitos y dispositivos electrónicos, 10m Edición.