Download Experimento 5 - Dr. Pablo Alvarado

Instituto Tecnológico de Costa Rica
Escuela de Ingenierı́a Electrónica
Profesores: Ing. Sergio Morales, Ing. Pablo Alvarado, Ing. Eduardo Interiano
Laboratorio de Elementos Activos
II Semestre 2006
Experimento 5: Transistores BJT como interruptores: Multivibradores
I
Objectivo General
Al finalizar el experimento y su análisis, el estudiante estará en capacidad de explicar el funcionamiento de un transistor funcionando como interruptor en circuitos multivibradores.
II
Objetivos Especı́ficos
1. Explicar el comportamiento del transistor como interruptor y analizar sus caracterı́sticas
en las regiones de corte y saturación.
2. Explicar el funcionamiento de circuitos multivibradores monoestables, biestables y astables con transistores BJT, y poder modificarlos para adecuarlos a especificaciones
indicadas.
III
Cuestionario Previo
1. Busque las hojas de datos de los diodos y transistores utilizados en este laboratorio.
Observe que la corriente nominal de los LED por usted utilizados debe conocerse para
poder dimensionar los circuitos utilizados en el laboratorio.
2. Investigue el funcionamiento del transistor como interruptor. ¿Qué significa que el
transistor trabaje en su región de saturación? ¿Qué es la región de corte?
3. En la región de saturación: ¿Qué valor tı́pico se puede esperar para la caı́da de tensión
UBE entre la base y el emisor del transistor? ¿Qué tensión UCE cae usualmente en este
caso entre colector y emisor?
4. En la región de corte: ¿Qué valor tı́pico se puede esperar para la caı́da de tensión UBE
entre la base y el emisor del transistor? ¿Cuál es la magnitud de las corrientes IC de
colector e IE de emisor?
5. Investigue qué son circuitos multivibradores monoestables, astables y biestables. Analice
el funcionamiento de los circuitos multivibradores basados en BJT a un nivel conceptual.
6. Investigue cómo se puede cambiar entre los estados estables del multivibrador biestable
mostrado en la figura 1.
7. Simule el circuito de la figura 1 y produzca cambios de estado de acuerdo a sus resultados
en el punto anterior. Mida y grafique las tensiones en las bases de los transistores, en
sus colectores.
1
UCC = 5 V
R C2
R C1
R B2
R B1
Usal2
Usal1
Q1
Q2
Figura 1: Circuito multivibrador biestable. RC1 = RC2 = 1 kΩ, RB1 = RB2 = 10 kΩ
8. Investigue cómo tiene que ser la entrada de disparo para que el multivibrador monoestable
de la figura 2 se active.
UCC = 5 V
R B2
R C1
C
R C2
R B1
Usal
Q1
Q2
D1
D2
0,1 µF
2 kΩ
Figura 2: Circuito multivibrador monoestable. RC1 = RC2 = 1 kΩ, RB1 = RB2 = 10 kΩ
9. Analice el circuito de la figura 2 y demuestre que la caı́da de tensión en la base del
transistor Q2 está dada por la ecuación
UB2 (t) = UCC + (U0 − UCC )e−t/(RB2 C)
(1)
donde U0 = UBE sat − UCC , y UBE sat es la tensión entre base y emisor del diodo en
saturación, y t = 0 es el instante de disparo.
2
10. Demuestre que el ancho del pulso de salida está dado entonces por:
U0 − UCC
T = RB2 C ln
UBE sat − UCC
(2)
11. Simule el circuito de la figura 2 y grafique la tensión de salida Usal , y la tensión en la
base de Q1 y Q2 , y en el condensador C. En la simulación utilice para los disparos una
señal cuadrada a diferentes frecuencias mayores y menores que 1/T .
12. Analice el circuito de la figura 3 y demuestre que la caı́da de tensión a la salida Usal
tiene una frecuencia aproximadamente igual a
f=
1,3
1
≈
T
RB1 C1 + RB2 C2
(3)
donde la señal de salida Usal es aproximadamente UCC durante
UCC − U0
tON = RB2 C2 ln
UCC − UBE sat
y es aproximadamente 0 V durante
tOF F = RB1 C1 ln
UCC − U0
UCC − UBE sat
R B1
R C2
UCC = 5 V
R C1
R B2
C2
C1
Usal
Q1
Q2
Figura 3: Circuito multivibrador astable. RC1 = RC2 = 1 kΩ, RB1 = RB2 = 10 kΩ
13. Simule el circuito de la figura 3 y grafique la tensión de salida Usal , la tensión en la base
de Q1 y Q2 , y la tensión en los condensadores.
14. ¿Cómo debe modificarse el circuito de la figura 3 para:
3
14.1. duplicar la duración de un periodo?
14.2. que en un periodo la señal de salida tenga un ciclo de trabajo del 20 %, manteniendo
la frecuencia?
14.3. que en un periodo la señal de salida tenga un ciclo de trabajo del 80 %, manteniendo
la frecuencia?
15. ¿Cómo puede modificarse el circuito de la figura 3 para que la carga consista en dos LED
que alternativamente se enciendan y apagan con una frecuencia cada uno de 0,5 Hz.
16. Los resultados de todas las simulaciones con los tres circuitos deben ser presentados al
profesor antes de realizar las pruebas experimentales.
17. En la sesión de laboratorio no se utilizan los circuitos mostrados en las figuras, sino
modificaciones propuestas por usted. Revise el procedimiento y realice todos los diseños
allı́ indicados antes de la sesión de laboratorio. Monte sus circuitos antes de la sesión
de laboratorio.
IV
Materiales y Equipo
Los números indicados son las cantidades necesarias de componentes para montar todos circuitos, que deben estar listos antes de la sesión de laboratorio.
1
1
1
1
1
1
6
2
6
1
6
1
3
6
3
3
V
fuente CC
generador de funciones
osciloscopio de rayos catódicos (ORC)
aislador de tierras (tapón aislador)
multı́metro digital
placa de montaje de prototipos (protoboard)
alambre aislado 26/24AWG, cables, alicates
transistores NTE123, 2N2222 o equivalentes
diodos de conmutación rápida (por ejemplo 1N914, NTE519 o equivalentes)
resistencias de 1 kΩ
resistencia de 2 kΩ
resistencias de 10 kΩ
condensador de 0,1 µF
condensadores dimensionados por el estudiante
resistencias dimensionadas por el estudiante
LED rojos
LED verdes
Procedimiento
1. Es importante antes de comenzar que:
• aisle la tierra del osciloscopio (use el enchufe aislador) respecto a la tierra de la
fuente.
4
• comente todos sus circuitos con el profesor antes de aplicarles energı́a eléctrica.
2. Modifique el circuito de la figura 1 para reemplazar cada carga resistiva (RC1 y RC2 )
por un LED en serie con una resistencia, que usted debe dimensionar para que limite la
corriente a un máximo igual a la corriente nominal del LED.
3. Compruebe el funcionamiento del circuito biestable. Para ello utilice el mecanismo de
cambio de estados por usted sugerido en el cuestionario previo y discutido con el profesor.
Note que puede dañar los transistores si utiliza algún mecanismo no apropiado.
4. Modifique el circuito de la figura 2 para reemplazar las cargas resistivas (RC1 y RC2 )
por LED en serie con resistencias dimensionadas como en el punto 2 del procedimiento.
Además, dimensione RB2 y C para que el estado inestable perdure 1 segundo.
5. Verifique el funcionamiento correcto de su circuito produciendo disparos en forma manual
y observando el tiempo que perdura el estado inestable.
6. ¿Qué ocurre si el diodo D1 es reemplazado por un corto-circuito y el diodo D2 por un
circuito abierto?
7. Modifique el circuito de la figura 3 para reemplazar las cargas resistivas por LED en
serie con resistencias dimensionadas como en el punto 2 del procedimiento. Además,
dimensione RB2 y C para que cada estado perdure 1/2 segundo.
8. Compruebe el funcionamiento correcto de su circuito.
VI
Evaluación
1. Investigue aplicaciones para los circuitos multivibradores biestables, monoestables y astables.
2. Revise cómo se se pueden modificar los tiempos de los estados inestables en los multivibradores monoestable y astable. Resuma resultados con fórmulas para calcular los
valores de los componentes correspondientes.
3. ¿Cómo puede utilizarse el multivibrador astable para medir la capacitancia de un condensador?
4. ¿Por qué deben ser los diodos en el circuito 2 de conmutación rápida?
5. ¿Cómo se deben modificar los circuitos monoestables si se utilizan transistores BJT del
tipo PNP?
PAM/pam, 24 de agosto de 2006
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