Experiencia P55: El transistor NPN como un interruptor

Laboratorio de Física con Ordenador
Experiencia P55: Transistores- interruptor
Cuaderno del alumno
Experiencia P55: El transistor NPN como un interruptor digital
Sensor de voltaje, salida de potencia
Tema
Semiconductores
DataStudio
P55 Digital Switch.DS
ScienceWorkshop (Mac)
(Vea al final de la
experiencia)
Equipo necesario
Sensor voltaje (CI-6503)
Adaptadores pinza cocodrilo (SE-9756)
Cables de conexión (SE-9750)
Fuente de alimentación, 5 V DC (SE-9720)
Cant.
1
2
4
1
ScienceWorkshop (Win)
(Vea al final de la
experiencia)
del AC/DC Electronics Lab*
Diodo emisor de luz (LED), rojo
Resistencia,330 ohm ()
Resistencia, 22 kilohm (k)
Transistor, 2N3904
Cable, 13 cm
Qty
1
1
1
1
2
(* El AC/DC Electronics Lab es el equipo de PASCO EM-8656)
IDEAS PREVIAS
Utilizando la biblioteca o Internet, explore lo siguiente: ¿ Qué aspecto clave del transistor ayudó
a la reactivación de la economía japonesa después de la Segunda guerra mundial?
Anote su respuesta en la sección Informe de Laboratorio.
El objetivo de esta experiencia es investigar cómo un transistor npn funciona como un
interruptor digital
.
FUNDAMENTO TEÓRICO
El transistor es el elemento esencial de cada circuito electrónico, desde el más simple
amplificador u oscilador hasta el ordenador digital más elaborado. Los circuitos integrados (CI)
los cuales han reemplazado gran parte de los circuitos construidos de transistores individuales,
son actualmente un array (conjunto) de transistores y otros componentes construidos de una
única fina oblea o " chip" de material semiconductor
El transistor es un dispositivo conductor que incluye dos uniones p-n en una configuración
sándwich, la cual puede ser o p-n-p o, como en esta experiencia, n-p-n. La tres regiones se
llaman usualmente : el emisor, base , y colector..
P55
©1999 PASCO scientific
p. 209
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Transistor n-p-n
Colector
emisor base colector
n
p
Emisor
Base
n
Base
Colector
Rcarga
+
Vbase
Encapsulado transistor
Emisor
+
Valimentación
Símbolo transistor npn
En un circuito de transistor, la intensidad en la base controla al intensidad a través de la "malla"
colector.
La tensión de colector puede ser considerablemente mayor que la tensión base. Así. La potencia
disipada por la resistencia puede ser mucho mayor que la potencia aplicada a la base por la
fuente de tensión. El dispositivo funciona como un amplificador de potencia (comparado con un
transformador elevador, el cual es un amplificador de tensión pero no un amplificador de
potencia) La señal de salida puede tener más potencia en el que la señal de entrada. La potencia
extra procede de una fuente de externa (fuente de alimentación) Un circuito de transistor puede
amplificar intensidad o tensión. El circuito puede ser una fuente de intensidad constante o una
fuente de tensión constante.
Un circuito de transistor puede servir como un interruptor eléctrico " digital". En un interruptor
eléctrico mecánico, se necesita una pequeña cantidad de potencia para encender un dispositivo
eléctrico ( p.e. un motor) que puede suministrar una gran cantidad de potencia. En un circuito "
digital 2 de transistor, un pequeña cantidad de potencia aplicada a la base se utiliza para "
encender " una mayor cantidad de potencia del colector..
Esta es una información mas general. Un transistor es un dispositivo de tres terminales. En un
transistor la tensión en un terminal relativa a tierra se indica por un subíndice. Por ejemplo VC
es la tensión de colector. La tensión entre dos terminales se indica por un doble subíndice: VBE
es la caída de tensión base-emisor , por ejemplo. Si se repite la misma letra, significa la tensión
de alimentación: VCC es la tensión positiva de alimentación asociada con el colector.
Un transistor npn típico sigue las siguientes reglas:
1.
El colector debe se más positivo que el emisor.
2.
Los circuitos base-a-emisor y base-a-colector funcionan como diodos. El diodo baseemisor conduce normalmente si la base es más positiva que el emisor por 0.6 a 0.8 voltios
(la tensión umbral típica para un diodo). El diodo base- colector está en polarización
inversa.
3.
El transistor tiene valores máximos de IC, IB, y VCE y otros límites como disipación de
potencia (ICVCE) y temperatura.
4.
Si las reglas 1 – 3 son seguidas, la ganancia de intensidad ( o amplificación) es la
proporción de la intensidad de colector, IC, a la intensidad de base, IB. Una pequeña
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©1999 PASCO scientific
p. 210
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intensidad circulando hacia la base controla una cantidad mayor de intensidad circulando
hacia el colector. La proporción, llamada “beta”, es típicamente alrededor de 100
RECUERDE

Siga todas las instrucciones de seguridad
PROCEDIMIENTO
Utilice la característica " Salida" del interfaz ScienceWorkshop para suministrar una tensión CA
a la base de una transistor npn. Utilice una fuente de alimentación de CC para alimentar al
colector del transistor. Utilice un sensor de voltaje para medir la caída de tensión (diferencia de
potencial) a través del la resistencia en serie con la fuente de alimentación y el colector del
transistor..
Utilice DataStudio o ScienceWorkshop para registrar y mostrar la ‘Tensión de salida’ a la vase
del transistor (Vbase) y la caída de tensión a través de la resistencia en serie con el colector
(Vcolector). Encuentre el valor de ‘Vbase’ (tensión a través de la base ) que hace que el valor de
‘Vcollector’ aumente desde cero. En otras palabras, determine la tensión a la cual el transistor
está "conduciendo".
PARTE I: CONFIGURACIÓN DEL ORDENADOR
1.
Conecte el interfaz al ordenador, encienda el
interfaz y el ordenador.
2.
Conecte un sensor de voltaje al Canal analógico A
3.
Conecte los cables a los terminales de ‘SALIDA’
del interfaz
4.
Abra el archivo titulado: :
DataStudio
P55 Digital Switch.DS
•
P55
ScienceWorkshop (Mac)
(Vea al final de la
experiencia)
ScienceWorkshop (Win)
(Vea al final de la
experiencia)
El archivo DataStudio contiene una gráfica y el Workbook. Lea las instrucciones en el
Workbook
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•
Mire las páginas del final de esta experiencia para obtener información de cómo modificar
el archivo de ScienceWorkshop
•
El generador de señales está configurado para dar una salida senoidal de 1.6 voltios a 1 Hz
La salida está configurada para arrancar y parar automáticamente cuando se inicia y para
la recogida de datos.
•
La recogida de datos está configurada a 200 Hz con la condición de inicio de ‘tensión de
salida’ siendo superior a 0.01 V y condición de parada de tiempo igual a 1 segundo (unas
200 muestras).
PARTE II: CALIBRADO DEL SENSOR Y MONTAJE DEL EQUIPO
•
No se necesita calibrar el Sensor de voltaje
1.
Inserte el transistor 2N3904 en el zócalo del tablero
AC/DC Electronics Lab. El transistor tiene la forma
de medio cilindro con una cara plana. El zócalo tiene
tres agujeros etiquetados como
“E” (emisor), “B” (base) y “C”
(colector). Cuando lo sujete de
manera el transistor le mire y
los terminales estén hacia
abajo, el terminal izquierdo es
el emisor. El del medio es la
base y el de la derecha el
colector.
2.
3.
P55
Conecte la resistencia de 22 k
(rojo, rojo, naranja)
verticalmente entre los muelles
porta-componentes del borde
izquierdo del área de
componentes.
E = Emisor
C = Colector
B = Base
+5 V
rojo
negro
LED
c
b
Generador
señales
Canal A
330 
rojo
Canal B
Transistor 2N3904
Zócalo
22 k
2N-3904
e
negro
Transistor NPN como interruptor
digital
Conecte la resistencia de 330 
(naranja, naranja, negro) horizontalmente entre los muelles porta-componentes a la
izquierda del terminal banana superior.
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4.
Con cuidado doble los terminales de diodo emisor de luz rojo (LED) de manera que pueda
montarse entre los muelles porta-componentes. Conecte el LED entre los muelles portacomponentes a la izquierda de la resistencia de 330  . Sitúe el LED de manera que el
cátodo (pata corta) esté a la izquierda (afuera desde la resistencia).
5.
Conecte un cable desde el muelle porta-componente del terminal base del transistor al
muelle porta-componente en la parte de arriba de la resistencia de 22 k
6.
Conecte otro cable desde el muelle porta-componente del terminal del colector del
transistor al muelle porta-componente del extremo izquierda del LED.
7.
Conecte un cable de conexión desde el terminal positivo (+) de la fuente de alimentación al
terminal de entrada superior en el borde del tablero de circuito.
8.
Utilice un adaptador de pinza cocodrilo para conectar otro cable desde el terminal negativo
(-) de la fuente de alimentación al muelle porta-componente del terminal emisor del
transistor
9.
Utilice un adaptador de pinza cocodrilo para conectar un cable desde el terminal positivo
de la salida del interfaz (
k
) al muelle porta-componente debajo de la resistencia de 22
10.
Conecte cable de conexión con banana negra desde la salida de masa (
terminal negativo (-) de la fuente de alimentación.
11.
Ponga las pinzas cocodrilo en los cables del sensor de voltaje. Conecte el cable rojo del
sensor al muelle porta-componente al lado derecho de la resistencia de 330  y el cable
negro a la izquierda de la resistencia.
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©1999 PASCO scientific
) del interfaz al
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PARTE III: RECOGIDA DE DATOS
1.
Encienda la fuente de alimentación de CC y ajuste la salida exactamente +5 Voltios.
2.
Inicie la medida de datos. (Pulse ‘Start’ en DataStudio o ‘GRAB’ en ScienceWorkshop.)
•
Observe el comportamiento del LED. Escriba una descripción de lo observado.
•
La recogida parará automáticamente a 1 segundo
3.
Apague la fuente de alimentación de CC.
ANÁLISIS DE DATOS
•
Opcional: Guarde los datos. Si dispone de una impresora, imprima la gráfica.

Recuerde, la tensión del canal A es Vcolector y la ‘tensión de salida’ (del interfaz) es
Vbase.
1.
Configure la gráfica para ajustar los
datos.

Sugerencia: En DataStudio, pulse el
botón ‘Scale to Fit’ en la barra de
herramienta del gráficas . En
ScienceWorkshop, pulse el botón
‘Autoscala (
gráfica.
2.
) para reescalar la
Utilice las herramientas de análisis de
las gráficas para medir la tensión en
la base (Vbase) cuando la tensión en
el colector (Vcolector) empieza a
aumentar sobre cero.



P55
Sugerencia En DataStudio, pulse ‘Smart Tool’. Smart Tool es una retícula grande con
pares de números ordenados que muestran el valor X y en valor Y en esa posición.
Coloque Smart Tool en el punto Vbase (‘Tensión de salida’) que corresponde con el
primer punto de Vcolector (Tensión, Canal A) que aumenta de cero.
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

Sugerencia: En ScienceWorkshop,
pulse el botón de ‘Cursor inteligente’
.El cursor cambia a una retícula
cuando se mueve en la ventana. La
coordenada X del cursor/retícula se
muestra debajo del eje horizontal. La
coordenada Y del cursor/retícula se
muestra próximo al eje vertical. Ponga
Smart Cursor
el cursor en el punto de la gráfica de
Vcolector (Canal A) donde la tensión
inicie el incremento sobre cero.
Mantenga pulsada la tecla Shift.
Mintra mantiene pulsada la tecla Shift, 
mueva el cursor/retícula verticalmente
a lo largo de una línea de trazada hasta que alcance el punto de la gráfica de Vbase
(Tensión de salida) que corresponde al mismo punto de la gráfica de Vcolector.
3.
Anote la coordenada Y del punto de la gráfica Vbase.
Tensión = _________ (V)
Anote sus resultados en la sección Informe de Laboratorio.
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Informe de Laboratorio
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IDEAS PREVIAS
Utilizando la biblioteca o Internet, explore lo siguiente: ¿ Qué aspecto clave del transistor ayudó
a la reactivación de la economía japonesa después de la Segunda guerra mundial?
Datos
Tensión = _____ V
CONCLUSIONES Y APLICACIONES
1.
¿ Cuál es el componente del LED cuando el circuito está activo?
2.
¿ Cómo se compara la forma general de la gráfica de Vbase con la gráfica de Vcolector
para el transistor?
3.
¿ Cuál es la tensión en la gráfica de Vbase cuando el LED se enciende (esto es, cundo la
tensión Vcolector cominca a elevarse sobre cero – la tensión de ‘encendido’)?
4.
¿ Cuál es la relación entre el comportamiento del LED y el punto de la gráfica de
Vcollector donde la tensión comienza a subir de cero?
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APENDICE. MODIFICACIÓN DEL ARCHIVO ScienceWorkshop
Modificación del archivo existente de ScienceWorkshop.
Abra el archivo ScienceWorkshop :
ScienceWorkshop (Mac)
P48 Transistor Lab 1
ScienceWorkshop (Win)
P48_TRN1.SWS
Esta experiencia utiliza la característica " salida" (Output) del interfaz ScienceWorkshop 750
para proporcionar un voltaje de salida Elimine el amplificador de potencia en la ventana de
preparación de experiencia.
Elimine el icono del amplificador de potencia
Em la ventana de preparación, pulse en el icono amplificador de potencia y pulse <supr>
(delete) en el teclado.
Resultado: Una ventana de " peligro" (warning) se abre. Pulse " Aceptar" para volver a la
ventana de preparación.
Modifique el generador de señales
Ajuste la salida del generador de señales a una " onda seno" de
1.6 voltios a 1 Hz.
Compruebe la ventana gráfica
La gráfica debería mostrar "Tensión de salida" y ‘A’. Si no, utilice el menú de entradas para
seleccionar "Tensión de salida’ para la gráfica superior y ‘A’ para la gráfica inferior.
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