manual de laboratorio de inel-4077

MANUAL DE LABORATORIO
INEL-4077
Preparado por:
Cesar Augusto Aceros Moreno
Corregido por:
Michael A. Rodríguez Meyer
Versión: Agosto 13 de 2007
UNIVERSIDAD DE PUERTO RICO
RECINTO UNIVERSITARIO DE MAYAGUEZ
DEPARTAMENTO DE INGENIERIA ELECTRICA Y
COMPUTADORAS
2007
CONTENIDO
CARTA AL ESTUDIANTE
Practica 1: Elementos básicos para el trabajo de Laboratorio.
Practica 2: Serie y Paralelo de Resistencias.
Practica 3: Leyes de Kirchhoff y Superposición.
Practica 4: Diodo Semiconductor.
Practica 5: Aplicaciones del Diodo Semiconductor.
Practica 6: Reguladores de Voltaje.
Practica 7: Transistor 1.
Practica 8: Transistor 2.
Practica 9: Amplificador Operacional.
Practica 10: Circuitos de Lógica.
CARTA AL ESTUDIANTE
Apreciado Estudiante:
Desde que fui estudiante y ahora en mis anos de trabajo dedicados a la docencia, he
tenido la experiencia de que los estudiantes hemos tomado y toman los laboratorios como
algo accesorio y solo un requisito que cumplir. Esto es algo que creo ha sido fruto de
unos manuales de laboratorio áridos que buscan hacer prácticas complicadas que no
conectan la teoría con la práctica de una forma que el estudiante disfrute.
El propósito de este manual es tratar de corregir los errores que creo siempre han tenido
los manuales de laboratorio y que sea para ustedes una oportunidad de crecimiento
personal (este en ultimas debería ser el fin de la educación). Espero que sea una
experiencia de enriquecimiento para sus vidas. El camino del conocimiento es un camino
que solamente uno decide cuando arranca a recorrer y los maestros nos acompañan en los
primeros pasos, espero que este manual y las practicas con sus instructores sean una
motivación para que ustedes inicien ese camino y sigan adelante. La electrónica puede ser
apasionante y enamoradora aparte de ser una fuente de soluciones para muchos
problemas en sus vidas.
Las prácticas tendrán al final una serie de preguntas que el estudiante deberá responder de
manera personal para saber si ha alcanzado los propósitos para los cuales la práctica fue
diseñada. Las prácticas no deben ser vistas como entes separados, todas están
entrelazadas y se necesitan. Particularmente importantes son las practicas 1 a la 4 que son
la base para seguir adelante.
Por ultimo este manual no pretende ser una camisa de fuerza y como todo en la vida
siempre estará inconcluso y sus aportaciones son valiosas para el enriquecimiento del
mismo. Cualquier sugerencia será un placer incluirla. ( [email protected] )
PRACTICA 1
ELEMENTOS BÁSICOS PARA EL TRABAJO DE LABORATORIO.
Elementos requeridos:
10 Resistencias de valores aleatorios.
Algunas cosas necesarias para la práctica:
¿Qué es la corriente eléctrica?
La corriente eléctrica es el flujo de electrones de un sitio a otro debido a una diferencia de
potencial o voltaje. La mejor analogía de un sistema eléctrico es un sistema hidráulico.
En la figura aparecen dos sistemas uno eléctrico y uno hidráulico que son equivalentes.
En el sistema hidráulico la bomba impulsa fluido por las tuberías, en el sistema eléctrico
la Fuente de Corriente tiene la misma función solo que impulsa electrones en el circuito.
La función de la resistencia en el sistema hidráulico es un estrechamiento que genera una
caída de presión, esto es análogo al voltaje que cae en la resistencia. La relación entre
corriente y voltaje están definidos por la ley de Ohm (V=IR, donde V es voltaje, I es
corriente y R es la resistencia).
El voltaje es análogo a la presión y la corriente es análoga al flujo de fluido en la tubería.
¿Qué pasa si la bomba de agua de la anterior figura varía continuamente de flujo, es
decir, va desde cero a un máximo de presión y después vuelve a un mínimo de presión y
así sucesivamente? ¿Qué crees que va a pasar con el flujo en la tubería? Lo que va a pasar
es que el flujo en la tubería va a estar variando continuamente. Esto es lo que en la
electricidad conocemos como AC (Corriente Alterna), porque continuamente está
variando el valor del voltaje en la línea. Un ejemplo de esto es la toma eléctrica de
nuestras casas. Las variaciones en el voltaje de las tomas son relativamente rápidas en
términos humanos (60 Hz, ó sea, 60 veces en un segundo).
La electricidad es muy hermosa y más fácil de lo que puedes pensar. Usa tu imaginación
para entenderla y veras que aprenderás algo que a juzgar de mucha gente es muy difícil.
Al terminar la practica usted como estudiante deberá:
-
Identificar los valores de resistencias.
Medir resistencias eléctricas con multimetro.
Ser capaz de montar circuitos eléctricos en Breadboards.
Breadboard:
Un Breadboard es un dispositivo que permite el montaje de circuitos electrónicos.
Muchas veces varios dispositivos estarán conectados a un mismo punto, conocido como
un nodo. En el Breadboard, varios puntos pueden estar contenidos en un mismo nodo
dependiendo de su posición en dicho Breadboard. La destreza del estudiante para el
montaje de los circuitos será fundamental para las prácticas por venir. En las siguientes
figuras se muestra un Breadboard y los puntos que son comunes en el mismo.
Para entender como están conectados los nodos, la siguiente figura muestra las
conexiones internas del Breadboard.
Entendiendo Diagramas de Circuitos:
A medida que realicen las prácticas, notarán que se usan diagramas para representar la
estructura física de los circuitos. A continuación se presenta una lista de los diferentes
componentes eléctricos y sus representaciones correspondientes en los diagramas:
Resistencia
Fuente de Voltaje DC
Resistencia Variable o Potenciometro
Diodo
Voltímetro
Nodo
Amperímetro
Amplificador Operacional
Fuente de Corriente
Switch
Fuente de Voltaje
Transistor
Fuente de Voltaje AC
Tranformador
Capacitor
Ground o Tierra
Códigos de Colores para resistencias:
Las resistencias (como seguramente ya lo han experimentado en las materias relacionadas
con Electricidad) son elementos fundamentales para la construcción de circuitos
eléctricos y sus valores se miden en Ohmios. Resistencias funcionan como barreras que
impiden el flujo de corriente. Los fabricantes de resistencias manejan una codificación
para especificar los valores de las resistencias, asignando colores a cada uno de los
números del 0 al 9 como se ve en la siguiente tabla. Las resistencias vienen de cuatro o
cinco bandas. Las de cinco bandas se llaman resistencias de precisión.
Número
0
1
2
3
4
Color
Negro
Marrón
Rojo
Anaranjado
Amarillo
Número
5
6
7
8
9
Color
Verde
Azul
Violeta
Gris
Blanco
Ahora que sabemos los colores, ¿qué hacemos con ellos? Bueno con los colores se puede
revisar una resistencia y se tendrá lo siguiente. Ver la siguiente figura:
Como se puede ver hay bandas de color. De las cuales las primeras 3 son el valor de la
resistencia y la cuarta es la tolerancia, en el caso de resistencias de cuatro bandas. En las
resistencias de cinco bandas, las primeras 4 son el valor de la resistencia y la quinta es la
tolerancia. Son de particular interés para el curso las 3 o 4 primeras porque gracias a ellas
podrán determinar el valor de una resistencia. La penúltima banda representa el valor de
ceros en el valor de la resistencia.
La siguiente tabla muestra el valor de la tolerancia basado en el color de la última banda.
Usualmente se puede identificar cual es la última banda por su ancho. La banda de
tolerancia tiende a ser mas ancha de las demás bandas. La tolerancia va al final del valor
de la resistencia encontrado de la forma: xxx Ω ± x %.
Valor
1%
2%
Color
Valor
10%
5%
Marrón
Rojo
Algunos Ejemplos:
Colores
Marrón – Negro – Rojo - Rojo
Anaranjado – Anaranjado –
Anaranjado - Dorado
Verde – Azul – Negro - Plateado
Azul – Gris – Marrón - Marrón
Números
1–0-2
3–3-3
5–6-0
6–8–1
Color
Plateado
Dorado
Valores
1 - 0 – 00 (2
ceros)
3 – 3 – 000 (3
ceros)
5 – 6 – (0 ceros)
6 – 8 – (1 ceros)
Valor
1000 Ohms = 1 KΩ
± 2%
33000 Ohms = 33
KΩ ± 5%
56 Ohms ± 10%
680 Ohms ± 1%
Para las resistencias de cinco bandas el procedimiento es el mismo, por ejemplo ahora
una resistencia con los siguientes colores:
Marrón – Negro – Negro – Marrón - Plateado es en números 1 – 0 – 0 – 1 (1 ceros), lo
que equivale a 1000 Ohmios = 1 KΩ ± 10%.
Montaje de circuitos en Breadboard:
Los montajes de circuitos en breadboard, para el estudiante principiante son
normalmente un poco confusos. Me propongo dar a ustedes unos “tips” para que puedan
facilitar el paso de pasar del dibujo al breadboard.
Tip 1: USE EL BOARD SIN TEMOR. Un breadboard tiene suficiente espacio para los
circuitos de este curso. No tema usar una cantidad de espacio considerable en el mismo.
Los estudiantes tienden a armar los circuitos muy pegados los componentes, esto es una
causa común de fallas a la hora de probar el circuito.
Tip 2: TRATE DE ARMAR EL CIRCUITO COMO ESTA EN EL DIBUJO. Es una
buena forma de saber donde esta cada cosa. Esto facilitara a la hora de fallas encontrar un
componente.
Tip 3: NO TEMA USAR JUMPERS: Si aun no sabe lo que es un jumper. Un jumper es
un cable que une dos sitios en el breadboard. No tema usarlos son muy útiles en especial
para cumplir el “tip” 2 respecto a montar los circuitos como están dibujados.
Tip 4: LA PRACTICA HACE AL MAESTRO: No se quede parado mirando a su
compañero montar el circuito, involúcrese en el trabajo y aprenderá. Al principio
seguramente no le gustara como quedan los circuitos pero si usted es un auto-critico de su
trabajo vera que su destreza para montaje de circuitos ira mejorando.
Ahora que ya tienes los “tips” para montajes en el Breadboard, empecemos.
PROCEDIMIENTO:
1. Lectura de Resistencias:
Tomen 10 resistencias, lean los valores en las mismas de acuerdo al código de colores y
posteriormente mide el valor con el multimetro.
Valor Leído
1
2
3
4
5
Valor Medido
6
7
8
9
10
2. Mediciones de Corriente y Voltaje.
Tome 2 resistencias y colóquelas en el valor de R. Llene la siguiente tabla. Vs = 12
Voltios.
Resistencia
V (Voltios)
A (Amperios)
3. Uso del Osciloscopio y del generador:
Usando un generador de funciones, monte el siguiente circuito. Ajuste el generador para:
Forma de onda: Senosoidal
Frecuencia
: 1 KHz
Vpp
:5V
Como es la señal en el osciloscopio, dibuje la forma de onda en la próxima grafica:
Ya terminamos, ahora deberá contestar las siguientes preguntas:
1)
2)
3)
4)
5)
¿Por qué crees que un Breadboard es útil para la electrónica?
¿Por qué son útiles los “jumpers” en un circuito montado en Breadboard?
¿Para qué se utilizan las resistencias?
¿Qué significado tiene la tolerancia de una resistencia?
¿Qué diferencia fundamental existe entre el generador AC y una fuente DC?
Mencione conclusiones de esta práctica.
PRACTICA 2
SERIE Y PARALELO DE RESISTENCIAS
Elementos requeridos:
2 Resistencias de 1 KΩ.
2 Resistencias de 2 KΩ.
Al terminar la practica usted como estudiante deberá:
-
Distinguir entre un montaje de resistencias en serie y paralelo.
Que la corriente es la misma para resistencias en serie.
Que el voltaje es el mismo para resistencia en paralelo.
¿Qué son dispositivos en serie y paralelo?
Notarán que hay varias maneras de conectar dispositivos en un circuito. Dos términos son
principales en el momento de analizar y montar circuitos: nodos y mallas. Nodos son
puntos comunes en donde los terminales de dos o más dispositivos están localizados.
Mallas son secciones de un circuito completo donde todos los componentes estan en
serie. Por ejemplo, si tienes un cuadrado grande, ese cuadrado lo puedes dividir en varios
cuadrados pequeños internamente. El cuadrado grande es nuestro circuito y los cuadrados
pequeños que lo componen son las mallas. Se puede visualmente observar si dos
dispositivos están en serie o en paralelo mirando sus terminales. Si dos dispositivos
tienen un terminal compartiendo el mismo nodo, pero su otro terminal no, es posible que
los dispositivos estén en serie. Si dos dispositivos tienen un terminal compartiendo el
mismo nodo y su otro Terminal también esta compartiendo otro nodo con el otro
dispositivo, es posible que estén en paralelo.
Nota que en este caso la resistencia 1 esta
compartiendo un Terminal con la resistencia 2 en el
nodo A. Sin embargo en otro Terminal de la
resistencia 1 esta siendo compartida con Vx, no con
la resistencia 2.
Nota que en este caso la resistencia 1 esta
compartiendo un Terminal con la resistencia 2 en el
nodo A y su otro Terminal también con la
resistencia 2 en el nodo B. Otra nota es que hay dos
mallas en este circuito. Una malla contiene Vx y la
resistencia 1, mientras que el otro contiene la
resistencia 1 y 2.
Resistencia Equivalente
En la primera práctica, aprendimos la Ley de Ohm y su importancia para los circuitos
eléctricos. Podemos obtener el voltaje total, o sea, el voltaje que se está supliendo al
circuito, multiplicando la corriente total que está pasando por el circuito completo por la
resistencia total del circuito. Para circuitos sencillos como los que estaban ilustrados
anteriormente, necesitamos saber como encontrar el valor resistivo total del circuito. La
forma de entender este concepto es imaginar que a los circuitos anteriores estuviéramos
substituyendo las dos resistencias por una sola con un valor equivalente para que el
circuito siga funcionando igual. Para resistencias en serie, la resistencia equivalente es
igual a la suma de los valores de cada resistencia individual. Para resistencias en paralelo,
la resistencia equivalente es igual al recíproco de la suma de todos los valores recíprocos
de las resistencias individuales. Esta técnica de buscar la resistencia equivalente de dos o
más resistencias será de gran ayuda al analizar circuitos.
Req (Serie) = Σ Ri = R1 + R2
Req (Paralelo) = (Σ (Ri)-1)-1 = ((1 / R1) + (1 / R2))-1
Midiendo Voltaje y Corriente en Serie o Paralelo
En un circuito, la corriente que pasa por el circuito es generada por el voltaje que se esta
supliendo al circuito. La corriente fluye por todo el circuito y pasa a través de cada
dispositivo. A medida que la corriente pasa por cada dispositivo, se puede medir un valor
de voltaje en cada dispositivo. Dado que la corriente entra y sale por un dispositivo,
siempre se mide la corriente en un nodo. Se coloca el amperímetro en el nodo de interés y
la corriente entra por un terminal del amperímetro y sale por el otro Terminal sin
molestar el flujo del circuito. Voltaje es medido en un dispositivo o varios. Se coloca el
voltímetro sobre el dispositivo o área de interés, donde un terminal del voltímetro toca el
comienzo del área de interés o el primer terminal del dispositivo y el otro Terminal del
voltímetro toca el final del área de interés o el segundo terminal del dispositivo.
Siguiendo este principio, se dice que se mide corriente en serie y el voltaje en paralelo.
Dado que la misma corriente esta pasando por todos los dispositivos de una misma malla
y estos dispositivos a su vez todos están en paralelo, el valor de corriente de dispositivos
en serie es igual. El voltaje se estará dividiendo entre los dispositivos, por lo tanto, el
voltaje de dispositivos en serie es distinto usualmente. Para circuitos en paralelo, lo
mencionado es inverso. El voltaje por dispositivos en paralelo es igual, pero la corriente
es distinta.
Divisores de Voltaje y Corriente
Hay momentos cuando queremos analizar la corriente o el voltaje que pasa por un punto
específico de un circuito con resistencias solamente sin medirlo directamente.
Dependiendo del arreglo del circuito, podemos calcular esto fácilmente usando un
concepto llamado divisores. Como sugiere el nombre, divisores asocian el
comportamiento de cómo se divide el voltaje o corriente de la fuente entre las resistencias
del circuito en forma matemática. Nota que para usar un divisor utiliza valores de
resistencias o resistividad, por lo tanto, se puede aplicar este concepto a componentes
como capacitares, pero solo trabajaremos con resistencias para efectos de esta
información.
La forma genérica para un divisor de voltaje es: VOUT = VIN · (R contenidos / R total). En el
circuito a la izquierda, supongamos que queremos Vy. Tuviéramos que hacer un divisor
de voltaje entre el punto B y C, donde VIN = Vx y R contenido = R3. Ya que todas las
resistencias están en serie, R total = R1 + R2 + R3. Para el circuito a la derecha, queremos
Vz, por lo tanto, R contenido ahora seria igual a R3 + R4 y R total = R1 + R2 + R3 + R4. Los
divisores de corriente siguen el mismo concepto, pero su forma genérica es de la forma:
IOUT = IIN · (R total / R contenidos).
PROCEDIMIENTO
1. Resistencias en Serie.
Monte el siguiente circuito:
Una forma de montar este circuito es la siguiente (OJO: No es la única):
Con una fuente V1=12 V. Para los valores de R1 y R2. Llene la siguiente tabla:
R1
1K
1K
2K
2K
R2
1K
2K
1K
2K
VR1
2. Resistencias en Paralelo.
Monte el siguiente circuito:
VR2
IR1
IR2
Con una fuente V1=12 V. Para los valores de R1 y R2. Llene la siguiente tabla:
R1
1K
1K
2K
2K
R2
1K
2K
1K
2K
VR1
VR2
IR1
IR2
3. Combinación de Resistencias en Serie y Paralelo:
Monte el siguiente circuito:
Con una fuente V1=12 V. Para los valores de R1, R2, R3 y R4 indicados. Llene la
siguiente tabla:
R1
1K
R2
1K
R3
2K
R4
2K
VR1
VR2
IR1
IR2
VR3
VR4
IR3
IR4
Responda las siguientes preguntas:
1) ¿Cómo es la corriente IR1 e IR2 en el circuito serie?
2) ¿Cómo es el voltaje VR1 y VR2 en el circuito paralelo?
3) ¿Qué pasa en el circuito de serie y paralelo con la corriente Is y las corrientes IR1,
IR3 e IR4?
Diga sus conclusiones de esta práctica.
PRACTICA 3
LEYES DE KIRCHHOFF Y SUPERPOSICION.
Elementos requeridos:
4 Resistencias de 1 KΩ.
1 Resistencia de 10 KΩ.
1 Resistencia de 330 Ω.
Al terminar la practica usted como estudiante deberá:
-
Entender las leyes de voltaje y corriente de Kirchhoff.
Poder determinar la corriente o voltaje en cualquier punto de un circuito.
Saber como determinar valores en circuitos con múltiples fuentes de voltaje.
La Ley de Voltajes de Kirchhoff (KVL)
En el siglo XIX, un físico alemán de nombre Gustav Kirchhoff aumenta nuestro
conocimiento fundamental sobre los circuitos eléctricos, espectroscopia y radiación.
Entre sus contribuciones, dos conceptos fueron de gran importancia para el análisis de
circuitos. Estos dos conceptos fueron nombrados las leyes de Kirchhoff en
reconocimiento al físico. La ley de voltaje es una ley de conservación del campo
electroestático de los circuitos y explica que la suma de voltajes alrededor de una malla
cerrada debe ser igual a cero.
Para el circuito ilustrado, la fuente de voltaje Vx suple un voltaje al circuito. Si medimos
las corrientes que pasan por las resistencias y usamos la ley de Ohm para determinar el
voltaje en cada resistencia, vamos a notar que la suma será igual a Vx. Este efecto
muestra la KVL porque solamente hay un voltaje suplida al circuito, mientras que las
otras muestran cuanto del voltaje suplido está en cada dispositivo. Podemos apreciar esto
en forma matemática como Vx = VR1 + VR2, o sea, Vx - VR1 - VR2 = 0.
La Ley de Corrientes de Kirchhoff (KCL)
La otra ley de Kirchhoff es una ley de conservación de carga y explica que suma de
corrientes en un circuito debe ser igual a cero. Esta ley aplicada a los nodos de un circuito
nos muestra que la suma de corrientes que entran a un nodo debe ser igual a la suma de
corrientes que salen del mismo nodo. Recuerda que la corriente en un circuito fluye por el
circuito como agua por un sistema de tubería, por lo tanto, si el sistema de tubería se
divide en un punto en tres tubos más pequeños, el agua continúa su camino por cada tubo
dividiéndose entre ellos. En la siguiente ilustración, podemos notar que la corriente
producida por la fuente fluye por la primera malla, pero cuando llega al nodo A, se divide
en dos corrientes que pasarán por la resistencia 1 y 2. Matemáticamente esto se muestra
como IVx = IR1 + IR2, o sea, IVx – IR1 – IR2 = 0.
Superposición
Si tuviéramos múltiples fuentes de voltaje en serie en una malla, el voltaje total suplido al
circuito seria la suma de los voltajes de cada fuente. Esto es así porque, como aprendimos
anteriormente en KVL, todos los voltajes suplidos en una malla cerrada sumados a los
voltajes medidos en los componentes de la malla serán igual a cero. Sin embargo, muchas
veces tenemos que analizar circuitos con dos o más fuentes de voltaje en mallas paralelas.
Hay varias técnicas para hacer esto como usar los teoremas de Thevenin y Norton, pero la
discutida a continuación se conoce como superposición.
La idea básica es analizar el circuito con una fuente a la vez, donde las demás fuentes se
sustituyen por un corto circuito (Short Circuit: un área de un circuito donde la malla esta
cerrada, pero no hay ningún dispositivo) o como si las fuentes suplieran 0 voltios. Luego
se simplifica el circuito usando los conceptos aprendidos de KVL, KCL y circuitos en
paralelo y en serie hasta llegar al punto de interés. Con uno de los valores necesarios, se
procede a hacer lo mismo para las demás fuentes hasta terminar el análisis. Lo siguiente
es un ejemplo:
R1 = 0.33k Ω, R2 = 1.00k Ω, R3 = 0.33k Ω, I3 (corriente por R3) = 3.00m A
Necesitamos Vx, Vy
•
Si I3 es 3mA y R3 es 0.33kΩ, podemos determinar el voltaje por el dispositivo
usando la ley de Ohm V = IR. V3 será entonces 1V.
•
Por caída en voltaje por un dispositivo podemos concluir que el voltaje en punto
A es 1V. Esto es debido a que el voltaje por R3 es la caída entre punto A menos
punto B. Punto B esta en Ground, así que su voltaje es 0. Por lo tanto V3 = VA –
VB, así que 1V = VA – 0. Esto termina VA = 1V.
•
Si queremos 1V en el punto A, significa que la suma de lo que sale desde el punto
de vista de las fuentes debe dar a 1V. Para nuestro caso vamos a imaginarnos que
queremos 0.5V por cada malla del circuito. NOTA: Esta división fue arbitrario,
pero la SUMA debe dar 1V.
•
Ahora aplicamos Superposición para encontrar los voltajes de las fuentes. Vamos
a ver Vx. Imaginamos que la otra fuente está apagada. Esto nos produce el
circuito:
•
Nota que tenemos un circuito serie-paralelo. Sabes que el voltaje que queremos
por R2 es 0.5V, pero R3 esta en paralelo con R2. Ya que voltajes en un circuito
paralelo son iguales, el voltaje es igual para R2 y R3. Podemos simplificar nuestro
circuito encontrando la resistencia equivalente R23:
•
El voltaje por R23 debe ser 0.5V y su valor en ohmios es de 0.25k. Nota que
tenemos un circuito en serie. Por divisores de voltajes podemos determinar Vx, ya
que sabemos el voltaje por R23. Vx = 0.5 / (0.25 / 0.58).
•
Ya sabemos Vx, ahora hacemos los mismos pasos para Vy. Obtendremos 3.33V.
Con esto sabemos una de las combinaciones para obtener 3mA por el punto B.
PROCEDIMIENTO
1. Montaje del Circuito para Superposición:
Monte el siguiente circuito:
2. Análisis del Circuito:
Encuentre el valor de Vx para que la corriente pasando por R5 sea de 1.5 mA. Usa el
método de superposición discutido en la teoría. Anote los resultados de su análisis en la
tabla que sigue. Luego conecte las fuentes de voltaje como se muestra en la figura del
circuito utilizando el valor de voltaje de tu resultado. Mida las corrientes y voltajes en
cada resistencia y anote sus resultados en la tabla.
Componente Valor Calculado Valor Medido
Vx
R1
R2
R3
R4
R5
R6
Responda las siguientes preguntas:
1)
2)
3)
4)
Explica donde se cumple la ley de Kirchhoff de voltaje en el circuito anterior.
Explica donde se cumple la ley de Kirchhoff de corriente en el circuito anterior.
¿Qué valor debe tener Vx para que R4 tuviera una corriente de 3.5 mA?
¿Qué valor debe tener Vx para que R5 tuviera una corriente de 3.5 mA?
Diga sus conclusiones de esta práctica.
PRACTICA 4
DIODO SEMICONDUCTOR.
Elementos requeridos:
1 Diodo 1N4001.
1 resistencia de 560 Ω.
1 resistencia de 330 Ω.
1 LED.
Al terminar la practica usted como estudiante deberá:
-
Entender el principio de un diodo semiconductor.
Saber como es la característica de un diodo semiconductor.
Conocer las regiones de operación de un diodo semiconductor.
¿Qué es un diodo?
Un diodo es un dispositivo electrónico que restringe el flujo direccional de cargas. La
idea básica es que un diodo puede bloquear el flujo de corriente en una dirección y
permitir el flujo en la otra dirección. Pueden visualizar un diodo como una válvula de
retención en un sistema de agua. La mayoría de los diodos usados hoy día son
semiconductores de unión p-n, o sea, unión de material tipo p (ánodo) y tipo n (cátodo).
Los diodos son manufacturados de silicio (Si) o germanio (Ge).
Modos de Operación
Un diodo puede dejar pasar corriente o bloquearlo dependiendo de la dirección en que
está entrando la corriente por sus materiales. La dirección de entrada indica el modo de
operación del diodo y denota su comportamiento en relación a la corriente. Cuando la
corriente entra por el ánodo o lado positivo, el diodo permite el flujo de corriente y se
dice que el diodo esta en el modo de polarización directa o “Foward Bias”. Cuando la
corriente entra por el cátodo o lado negativo, el diodo bloquea el flujo de corriente y se
dice que el diodo esta en el modo de polarización inversa o “Reverse Bias”. Con estos
dos modos de operación, se puede graficar la relación de I-V característica del diodo.
Observando la gráfica a continuación, podemos notar que cuando el diodo está en
polarización directa y con aproximadamente 0.6 a 0.7 V, permite el flujo continuo de
corriente.
Light Emitting Dioses (LEDs)
Existen variedades de diodos con operaciones distintas. Algunos ejemplos de tipos de
diodos son Schottky, Switching, Zener y Avalanche. Un tipo de diodo que se utilizará en
varias ocasiones en este manual es el diodo emisor de luz o LED. Este tipo de diodo
funciona como cualquier otro tipo de diodo con la excepción de que tiene un filamento
que se calienta cuando el diodo esta en polarización directa. Este filamento produce luz al
calentarse como una bombilla.
PROCEDIMIENTO
1. Curva característica de un diodo semiconductor: (Polarización Directa)
Monte el siguiente circuito:
Con el valor de R1 = 560 Ω y el diodo 1N4001. Llene la siguiente tabla:
Vs
0.5
1
2
3
4
6
8
10
12
Id
Vd
Vs
15
20
25
30
Id
2. Curva característica de un diodo semiconductor: (Polarización Inversa)
Monte el siguiente circuito:
Vd
Con el valor de R1 = 560 Ω y el diodo 1N4001. Llene la siguiente tabla:
Vs
0.5
4
8
12
20
25
Id
Vd
3. Curva característica de un diodo semiconductor: (Polarización Directa)
Monte el siguiente circuito:
Con el valor de R1 = 330 Ω y colocando el LED en la posición del diodo. Llene la
siguiente tabla:
Vs
0.5
1
2
3
Id
Vd
Vs
15
20
25
30
Id
Vd
4
6
8
10
12
4. Curva característica de un diodo semiconductor: (Polarización Inversa)
Monte el siguiente circuito:
Con el valor de R1 = 330 Ω y colocando el LED en la posición del diodo. Llene la
siguiente tabla:
Vs
0.5
4
8
12
20
25
Id
Vd
DIBUJE LOS DATOS DE LAS 4 TABLAS EN EXCEL O EN PAPEL
MILIMETRADO.
Obtenga una regresión que genere una función que se aproxime a estos puntos.
Responda las siguientes preguntas:
1) ¿Un diodo es un elemento bi-direccional?
2) ¿Qué diferencias encuentra entre un diodo y una resistencia?
3) ¿Cómo es el comportamiento del LED en polarización directa e inversa?
Diga sus conclusiones de esta práctica.
PRACTICA 5
APLICACIONES DEL DIODO SEMICONDUCTOR.
ADVERTENCIA
EN ESTE LABORATORIO SE VA A MANEJAR LINEA AC DE 120 VAC, QUE
ES POTENCIALMENTE PELIGROSA.
PRECAUCIONES ADICIONALES DEBEN SER TOMADAS PARA ASEGURAR
LA SALUD DE LOS ESTUDIANTES Y EVITAR DANOS EN LOS EQUIPOS.
Elementos requeridos:
1 Transformador con tap central.
2 Diodos 1N4001/02/03 o 04
1 Resistencia de 220 Ohmios (1/2W)
1 Condensador de 100 uF (16 V)
Al terminar la practica usted como estudiante deberá:
-
Conocer experimentalmente como funciona un rectificador.
Saber la función del condensador de filtrado del rectificador.
Rectificadores
En los circuitos eléctricos, a veces solo tenemos corriente alterna (AC). La corriente AC
fluctúa entre un valor mínimo y máximo como una onda senosoidal. Sin embargo,
muchas veces necesitamos corriente directa (DC) la cual se mantiene en un valor
constante. Para este propósito se utilizan los rectificadores. Los rectificadores son
aplicaciones de los diodos semiconductores que convierten corriente AC a DC a través de
un proceso llamado rectificación. La idea básica de un rectificador es filtrar o eliminar la
parte negativa de cada ciclo de corriente, haciendo que la fluctuación se mantenga
cercana a un valor constante.
Rectificadores de Media Onda y Onda Completa
Los rectificadores se pueden construir de dos tipos: media onda y onda completa. En los
rectificadores de media onda o “Half Wave”, la parte negativa de la onda es eliminada y
en la salida solo se ve la parte positiva o mitad de la onda completa. En los rectificadores
de onda completa o “Full Wave”, la parte negativa se invierte al lado positivo de la onda.
Dado que ondas repiten cada ciclo, esto produce un efecto en la salida más cercana a un
valor constante. En ambos casos, la salida no es completamente constante, pero dado las
repeticiones de las ondas y rapidez de frecuencia, se parece mucho a un valor constante.
Filtros de Salida
Hay formas de aproximar la salida de los rectificadores a un valor constante más aun. Si
se añade un filtro en la salida del rectificador, se puede eliminar la pequeña caída de
corriente que ocurre cuando la onda baja al valor negativo del ciclo. Un filtro común es
añadir un capacitor, conocido como un capacitor de reserva, en la salida. Cuando la
corriente aumenta con cada onda positiva, el capacitor se va a cargar y cuando la
corriente disminuye a su valor negativo, el capacitor se descarga más lento que la
disminución de la corriente de la onda. Este efecto hace que la onda nunca toque el punto
de cero corriente. La salida todavía no es perfecta y produce una pequeña fluctuación
llamado rizado o “ripple”, pero logra que el valor de la salida este mas cerca de un valor
constante.
PROCEDIMIENTO
1. Rectificador con Tap Central (Full-wave)
Monte el siguiente circuito:
Los diodos son los 1N400X. La resistencia es la de 220 ohmios (cuidado la resistencia
puede calentarse). El TAP central del transformador debe estar en embobinados de 6 o 9
voltios. Dibuje la forma de onda de voltaje en la resistencia con el osciloscopio.
2. Quite D2, desconecta la resistencia del “tap” central y conecta la resistencia al
transformador donde estaba D2. Vuelva a dibujar la señal en la resistencia.
Ahora agregue un condensador de 100 uF en paralelo con la resistencia como se muestra
en la figura.
Vuelva a dibujar la forma de onda del voltaje en la resistencia, que es la misma del
condensador porque están en paralelo.
Ahora con el multimetro mida el voltaje y la corriente sobre la resistencia de 220 Ω.
VR (Voltios)
I R(Amperios)
Responda las siguientes preguntas:
1) ¿Cuál es la diferencia entre un rectificador “Half-wave” y uno “Full-wave”?
2) ¿Cuál es la función del condensador?
3) ¿Cuál es la función de este circuito?
Diga sus conclusiones de esta práctica.
PRACTICA 6
REGULADORES DE VOLTAJE.
Elementos requeridos:
Todos los elementos de la practica 4.
1 Transformador con “tap” central.
2 Diodos 1N4001/02/03 o 04
1 Resistencia de 220 Ohmios (1/2W)
1 Condensador de 100 uF (16 V)
Adicionales:
1 Regulador de Voltaje LM7805C.
1 Resistencia de 56 Ohmios
ADVERTENCIA
EN ESTE LABORATORIO SE VA A MANEJAR LINEA AC DE 120 VAC, QUE
ES POTENCIALMENTE PELIGROSA.
PRECAUCIONES ADICIONALES DEBEN SER TOMADAS PARA ASEGURAR
LA SALUD DE LOS ESTUDIANTES Y EVITAR DANOS EN LOS EQUIPOS.
Al terminar la practica usted como estudiante deberá:
-
Saber para que sirven los reguladores de Voltaje.
¿Qué son reguladores de voltaje?
Reguladores de voltaje son dispositivos eléctricos compuestos por varios otros
componentes internamente que están diseñados para mantener un nivel constante de
voltaje en su salida. La idea general es que el regulador de voltaje recibe un valor de
voltaje en su entrada e internamente la regula para que en la salida se reciba un voltaje
constante designado. El método que usa el regulador para regular el voltaje de entrada es
lo que denota el tipo de regulador que es. Algunos ejemplos de reguladores de voltajes
son lineales, switching y zener. El regulador lineal funciona internamente como una
resistencia variable que continuamente ajusta un sistema de divisor de voltaje para
mantener una salida especifica. El regulador switching usa transistores para funcionar
como un switch de prender y apagar para mantener el voltaje de salida. Los reguladores
zener utilizan la región de caída del diodo tener para mantener su salida constante.
Cuando una entrada mas alta que el valor constante del regulador es recibida, el regulador
de voltaje ajusta el voltaje y disipa calor. El regulador LM7805 usado en esta práctica es
un regulador lineal.
PROCEDIMIENTO
Monte el siguiente circuito con R=56 Ohmios:
Tome las siguientes medidas con D1 y D2 (R=56 Ohmios):
Vin
Vout
IR
Remueva D2 y tome las siguientes medidas:
Vin
Vout
IR
Responda las siguientes preguntas:
1) ¿Qué diferencias encuentra entre el Vin y el Vout?
2) ¿Cuál es la función del regulador de Voltaje?
Diga sus conclusiones de esta práctica.
LM78XX
Series Voltage Regulators
General Description
The LM78XX series of three terminal regulators is available
with several fixed output voltages making them useful in a
wide range of applications. One of these is local on card
regulation, eliminating the distribution problems associated
with single point regulation. The voltages available allow
these regulators to be used in logic systems, instrumentation, HiFi, and other solid state electronic equipment. Although designed primarily as fixed voltage regulators these
devices can be used with external components to obtain adjustable voltages and currents.
The LM78XX series is available in an aluminum TO-3 package which will allow over 1.0A load current if adequate heat
sinking is provided. Current limiting is included to limit the
peak output current to a safe value. Safe area protection for
the output transistor is provided to limit internal power dissipation. If internal power dissipation becomes too high for the
heat sinking provided, the thermal shutdown circuit takes
over preventing the IC from overheating.
Considerable effort was expanded to make the LM78XX series of regulators easy to use and minimize the number of
external components. It is not necessary to bypass the out-
put, although this does improve transient response. Input bypassing is needed only if the regulator is located far from the
filter capacitor of the power supply.
For output voltage other than 5V, 12V and 15V the LM117
series provides an output voltage range from 1.2V to 57V.
Features
n
n
n
n
n
n
Output current in excess of 1A
Internal thermal overload protection
No external components required
Output transistor safe area protection
Internal short circuit current limit
Available in the aluminum TO-3 package
Voltage Range
LM7805C
5V
LM7812C
12V
LM7815C
15V
Connection Diagrams
Metal Can Package
TO-3 (K)
Aluminum
Plastic Package
TO-220 (T)
DS007746-3
DS007746-2
Bottom View
Order Number LM7805CK,
LM7812CK or LM7815CK
See NS Package Number KC02A
© 2000 National Semiconductor Corporation
DS007746
Top View
Order Number LM7805CT,
LM7812CT or LM7815CT
See NS Package Number T03B
www.national.com
LM78XX Series Voltage Regulators
May 2000
PRACTICA 7
TRANSISTOR 1
Elementos requeridos:
1 Transistor 2N3904 (NPN)
1 Transistor 2N3906 (PNP)
1 Resistencia de 100 K
1 Resistencia de 1K
Al terminar la practica usted como estudiante deberá:
-
Saber como reconocer físicamente un transistor
Determinar con un multimetro los terminales de un transistor.
Diferenciar los transistores NPN y PNP.
Saber como se polariza un transistor.
¿Qué es un transistor?
Transistores son dispositivos semiconductores usados comúnmente como amplificadores
o switches eléctricamente controlados. Los transistores han sido uno de los componentes
claves en la electrónica moderna gracias a su flexibilidad, confiabilidad y bajo costo.
Miles de transistores son utilizados en circuitos integrados que componen la mayoría de
los equipos digitales y electrónicos hoy día. Reemplazaron los tubos de vacío en el siglo
XX por su pequeño tamaño, bajo costo, habilidad para controlar corrientes altas, alta
eficiencia, largo periodo de vida, bajo disipación de potencia, entre otras características.
Internamente los transistores están compuestos por material tipo p y n como los diodos.
Se puede casi visualizar un transistor como dos diodos unidos de cierta forma.
Tipos de Transistores
Existen varios tipos de transistores dependiendo de sus materiales y configuración
interna. Los más comunes son los transistores de unión bipolar (“bipolar junction”) o BJT
y los transistores de efecto de campo (“field effect”) o FET. Los BJT son usados para
amplificar y switching y su nombre es derivado de su funcionamiento interno que utiliza
el movimiento de electrones y huecos. Tienen tres terminales denotados colector (C),
base (B) y emisor (E), donde cada terminal esta conectado a uno de los materiales que
componen el BJT. La relación de las corrientes y voltajes que pasan por estos terminales
dicta sus regiones de operación y sus relaciones matemáticas para análisis de circuitos.
Los BJT tienen tres tipos de configuraciones internas: NPN, PNP y Heterojunction
Bipolar. Los NPN tienen dos capas de material tipo N y una de tipo P entre medio. Estos
BJT son los mas comúnmente utilizados, ya que el movimiento de electrones es mucho
mas rápido que el movimiento de huecos y esto permite controlar mayores valores de
corriente y produce mayor rapidez de operación. Los PNP tienen dos capas de material
tipo P y una de tipo N entre medio. Estos BJT funcionan con el movimiento de huecos.
Los últimos BJT están compuestos por materiales semiconductores distintos al material N
y P. Son útiles por su habilidad de controlar frecuencias bien altas hasta varios cientos de
GHz.
Los FET utilizan el campo eléctrico para controlar la conductividad de los canales
semiconductores. Pueden ser construidos de una variedad de materiales, pero el más
común es el silicio. Los FET tienen tres terminales de importancia para su
funcionamiento y análisis, la cual son: gate (G), drain (D) y source (S). Hay varios tipos
de FET, por ejemplo: MOSFET, JFET, CMOS, MESFET, entre otros. Vienen de dos
variedades: canal P y canal N. Dado que en este manual no se utilizan los FET, no
entraremos en detalle sobre sus ecuaciones o funcionamiento interno.
Regiones de Operación
Los transistores bipolares tienen cuatro regiones de operación principales, parecido a los
diodos. En cada región, la corriente es controlado de forma distinta y las uniones o
“diodos” internos están en un modo distinto.
•
•
•
•
Foward Active o Activa: Unión E-B en polarización directa, unión B-C en
polarización inversa, corriente del C-E es proporcional a la corriente de la base,
para variaciones pequeñas de corriente de base la proporción es grande.
Reverse Active o Inversa: Unión E-B en polarización directa, unión B-C en
polarización inversa, relación de corrientes es inversa al modo activo.
Saturation o saturación: Ambos uniones en polarización directa, BJT funciona
como un switch abierto dejando pasar toda corriente por ella.
Cutoff o saturación: Ambos uniones en polarización inversa, BJT funciona como
un switch cerrado bloqueando toda corriente por ella.
Ecuaciones Teóricas:
Donde VT es el voltaje termal ≈ 26 mV, αT es la ganancia de corriente de base común en
activo corto circuito (0.98 a 0.998), βF es la ganancia de corriente en C-E activo ≈ 20 a
500, βR es la ganancia de corriente en C-E inversa ≈ 0 a 20 y IES o IS es la corriente
inversa de saturación del diodo en el B-E ≈ 10−15 a 10−12 A.
PROCEDIMIENTO
1. Medición de transistores.
Vamos a medir los transistores que tenemos:
Con ayuda de los “datasheets” del transistor NPN, revise cuales son los terminales. Llene
la siguiente tabla con los valores del multímetro:
Punta ROJA
Base
Base
Colector
Emisor
Emisor
Colector
Punta NEGRA
Emisor
Colector
Emisor
Colector
Base
Base
Voltaje en el Multimetro
Repita el procedimiento pero ahora para el otro transistor (el PNP):
Punta ROJA
Base
Base
Colector
Emisor
Emisor
Colector
Punta NEGRA
Emisor
Colector
Emisor
Colector
Base
Base
2. Polarización de transistores.
Monte el siguiente circuito, con los siguientes valores:
RB=100 K
RC=1K
Voltaje en el Multimetro
Vcc=15 V
VBB variable.
Ahora llene la siguiente tabla (No olvide que los valores de corriente se calculan, lo
mismo que el valor de hFE):
VBB
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
VBE
VCE
IC = (VCC-VCE) / RB
IB = (VBB-VBE) / RC
hFE=IC/IB
Grafique en EXCEL o en papel milimetrado (IC vs VCE) e (IC vs IB):
Ic
Ic
VCE
IB
Responda las siguientes preguntas:
-
¿Cuál es la diferencia de un transistor PNP y NPN?
¿Qué significa el hFE?
¿Un transistor es un elemento que amplifica corriente o voltaje? Justifique su
respuesta.
Diga sus conclusiones de esta práctica.
MMBT3904
PZT3904
C
C
E
E
C
B
C
TO-92
SOT-23
E
B
B
SOT-223
Mark: 1A
NPN General Purpose Amplifier
This device is designed as a general purpose amplifier and switch.
The useful dynamic range extends to 100 mA as a switch and to
100 MHz as an amplifier.
Absolute Maximum Ratings*
Symbol
TA = 25°C unless otherwise noted
Parameter
Value
Units
VCEO
Collector-Emitter Voltage
40
V
VCBO
Collector-Base Voltage
60
V
VEBO
Emitter-Base Voltage
6.0
V
IC
Collector Current - Continuous
200
mA
TJ, Tstg
Operating and Storage Junction Temperature Range
-55 to +150
°C
*These ratings are limiting values above which the serviceability of any semiconductor device may be impaired.
NOTES:
1) These ratings are based on a maximum junction temperature of 150 degrees C.
2) These are steady state limits. The factory should be consulted on applications involving pulsed or low duty cycle operations.
Thermal Characteristics
Symbol
PD
TA = 25°C unless otherwise noted
Characteristic
RθJC
Total Device Dissipation
Derate above 25°C
Thermal Resistance, Junction to Case
RθJA
Thermal Resistance, Junction to Ambient
Max
Units
2N3904
625
5.0
83.3
*MMBT3904
350
2.8
**PZT3904
1,000
8.0
200
357
125
mW
mW/°C
°C/W
°C/W
*Device mounted on FR-4 PCB 1.6" X 1.6" X 0.06."
**Device mounted on FR-4 PCB 36 mm X 18 mm X 1.5 mm; mounting pad for the collector lead min. 6 cm2.
 2001 Fairchild Semiconductor Corporation
2N3904/MMBT3904/PZT3904, Rev A
2N3904 / MMBT3904 / PZT3904
2N3904
(continued)
Electrical Characteristics
Symbol
TA = 25°C unless otherwise noted
Parameter
Test Conditions
Min
Max
Units
OFF CHARACTERISTICS
V(BR)CEO
IC = 1.0 mA, IB = 0
V(BR)CBO
Collector-Emitter Breakdown
Voltage
Collector-Base Breakdown Voltage
40
V
V(BR)EBO
Emitter-Base Breakdown Voltage
IC = 10 µA, IE = 0
60
V
IE = 10 µA, IC = 0
6.0
V
IBL
Base Cutoff Current
VCE = 30 V, VEB = 3V
50
nA
ICEX
Collector Cutoff Current
VCE = 30 V, VEB = 3V
50
nA
ON CHARACTERISTICS*
hFE
DC Current Gain
VCE(sat)
Collector-Emitter Saturation Voltage
VBE(sat)
Base-Emitter Saturation Voltage
IC = 0.1 mA, VCE = 1.0 V
IC = 1.0 mA, VCE = 1.0 V
IC = 10 mA, VCE = 1.0 V
IC = 50 mA, VCE = 1.0 V
IC = 100 mA, VCE = 1.0 V
IC = 10 mA, IB = 1.0 mA
IC = 50 mA, IB = 5.0 mA
IC = 10 mA, IB = 1.0 mA
IC = 50 mA, IB = 5.0 mA
40
70
100
60
30
0.65
300
0.2
0.3
0.85
0.95
V
V
V
V
SMALL SIGNAL CHARACTERISTICS
fT
Current Gain - Bandwidth Product
Cobo
Output Capacitance
Cibo
Input Capacitance
NF
Noise Figure
IC = 10 mA, VCE = 20 V,
f = 100 MHz
VCB = 5.0 V, IE = 0,
f = 1.0 MHz
VEB = 0.5 V, IC = 0,
f = 1.0 MHz
IC = 100 µA, VCE = 5.0 V,
RS =1.0kΩ,f=10 Hz to 15.7kHz
300
MHz
4.0
pF
8.0
pF
5.0
dB
SWITCHING CHARACTERISTICS
td
Delay Time
VCC = 3.0 V, VBE = 0.5 V,
35
ns
tr
Rise Time
IC = 10 mA, IB1 = 1.0 mA
35
ns
ts
Storage Time
VCC = 3.0 V, IC = 10mA
200
ns
tf
Fall Time
IB1 = IB2 = 1.0 mA
50
ns
*Pulse Test: Pulse Width ≤ 300 µs, Duty Cycle ≤ 2.0%
Spice Model
NPN (Is=6.734f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=74.03 Bf=416.4 Ne=1.259 Ise=6.734 Ikf=66.78m Xtb=1.5 Br=.7371 Nc=2
Isc=0 Ikr=0 Rc=1 Cjc=3.638p Mjc=.3085 Vjc=.75 Fc=.5 Cje=4.493p Mje=.2593 Vje=.75 Tr=239.5n Tf=301.2p
Itf=.4 Vtf=4 Xtf=2 Rb=10)
2N3904 / MMBT3904 / PZT3904
NPN General Purpose Amplifier
MMBT3906
PZT3906
C
C
E
E
C
B
C
TO-92
E
SOT-23
B
B
SOT-223
Mark: 2A
PNP General Purpose Amplifier
This device is designed for general purpose amplifier and switching
applications at collector currents of 10 µA to 100 mA.
Absolute Maximum Ratings*
Symbol
TA = 25°C unless otherwise noted
Parameter
Value
Units
VCEO
Collector-Emitter Voltage
40
V
VCBO
Collector-Base Voltage
40
V
VEBO
Emitter-Base Voltage
5.0
V
IC
Collector Current - Continuous
200
mA
TJ, Tstg
Operating and Storage Junction Temperature Range
-55 to +150
°C
*These ratings are limiting values above which the serviceability of any semiconductor device may be impaired.
NOTES:
1) These ratings are based on a maximum junction temperature of 150 degrees C.
2) These are steady state limits. The factory should be consulted on applications involving pulsed or low duty cycle operations.
3) All voltages (V) and currents (A) are negative polarity for PNP transistors.
Thermal Characteristics
Symbol
PD
TA = 25°C unless otherwise noted
Characteristic
RθJC
Total Device Dissipation
Derate above 25°C
Thermal Resistance, Junction to Case
RθJA
Thermal Resistance, Junction to Ambient
Max
Units
2N3906
625
5.0
83.3
*MMBT3906
350
2.8
**PZT3906
1,000
8.0
200
357
125
mW
mW/°C
°C/W
°C/W
*Device mounted on FR-4 PCB 1.6" X 1.6" X 0.06."
**Device mounted on FR-4 PCB 36 mm X 18 mm X 1.5 mm; mounting pad for the collector lead min. 6 cm2.
 2001 Fairchild Semiconductor Corporation
2N3906/MMBT3906/PZT3906, Rev A
2N3906 / MMBT3906 / PZT3906
2N3906
(continued)
Electrical Characteristics
Symbol
TA = 25°C unless otherwise noted
Parameter
Test Conditions
Min
Max
Units
OFF CHARACTERISTICS
V(BR)CEO
Collector-Emitter Breakdown Voltage*
IC = 1.0 mA, IB = 0
40
V
V(BR)CBO
Collector-Base Breakdown Voltage
IC = 10 µA, IE = 0
40
V
V(BR)EBO
Emitter-Base Breakdown Voltage
IE = 10 µA, IC = 0
5.0
IBL
Base Cutoff Current
VCE = 30 V, VBE = 3.0 V
50
nA
ICEX
Collector Cutoff Current
VCE = 30 V, VBE = 3.0 V
50
nA
V
ON CHARACTERISTICS
hFE
DC Current Gain *
VCE(sat)
Collector-Emitter Saturation Voltage
VBE(sat)
Base-Emitter Saturation Voltage
IC = 0.1 mA, VCE = 1.0 V
IC = 1.0 mA, VCE = 1.0 V
IC = 10 mA, VCE = 1.0 V
IC = 50 mA, VCE = 1.0 V
IC = 100 mA, VCE = 1.0 V
IC = 10 mA, IB = 1.0 mA
IC = 50 mA, IB = 5.0 mA
IC = 10 mA, IB = 1.0 mA
IC = 50 mA, IB = 5.0 mA
60
80
100
60
30
0.65
300
0.25
0.4
0.85
0.95
V
V
V
V
SMALL SIGNAL CHARACTERISTICS
fT
Current Gain - Bandwidth Product
Cobo
Output Capacitance
Cibo
Input Capacitance
NF
Noise Figure
IC = 10 mA, VCE = 20 V,
f = 100 MHz
VCB = 5.0 V, IE = 0,
f = 100 kHz
VEB = 0.5 V, IC = 0,
f = 100 kHz
IC = 100 µA, VCE = 5.0 V,
RS =1.0kΩ,f=10 Hz to 15.7 kHz
250
MHz
4.5
pF
10.0
pF
4.0
dB
SWITCHING CHARACTERISTICS
td
Delay Time
VCC = 3.0 V, VBE = 0.5 V,
35
ns
tr
Rise Time
IC = 10 mA, IB1 = 1.0 mA
35
ns
ts
Storage Time
VCC = 3.0 V, IC = 10mA
225
ns
tf
Fall Time
IB1 = IB2 = 1.0 mA
75
ns
*Pulse Test: Pulse Width ≤ 300 µs, Duty Cycle ≤ 2.0%
NOTE: All voltages (V) and currents (A) are negative polarity for PNP transistors.
Spice Model
PNP (Is=1.41f Xti=3 Eg=1.11 Vaf=18.7 Bf=180.7 Ne=1.5 Ise=0 Ikf=80m Xtb=1.5 Br=4.977 Nc=2 Isc=0 Ikr=0
Rc=2.5 Cjc=9.728p Mjc=.5776 Vjc=.75 Fc=.5 Cje=8.063p Mje=.3677 Vje=.75 Tr=33.42n Tf=179.3p Itf=.4 Vtf=4
Xtf=6 Rb=10)
2N3906 / MMBT3906 / PZT3906
PNP General Purpose Amplifier
PRACTICA 8
TRANSISTOR 2
Elementos requeridos:
1 Transistor 2N3904
3 Resistencias de 10 K
1 Resistencia de 100
1 Resistencia de 47 K
1 Resistencia de 6.8 K
1 Resistencia de 2.2 K
2 Condensadores de 1 uF.
1 Condensador de 100 uF.
Al terminar la práctica usted como estudiante deberá:
-
Saber que los transistores permiten construir amplificadores de señales.
Conocer un amplificador Emisor Común.
Emisor Común:
El emisor común o “common emitter” es una topología básica de los BJT que se utiliza
comúnmente como un amplificador de voltajes pequeñas. El nodo del emisor del
transistor es conectado a tierra, el nodo de la base recibe la señal de entrada y el nodo del
colector se utiliza como la salida. El término “común” proviene de la relación
mencionada de los nodos. En este caso, el emisor al estar conectado a tierra es un nodo
común para el funcionamiento del transistor. Existen otras topologías basadas en este
mismo principio como el colector común (“common collector”) y base común (“common
base”). La equivalente del emisor común en los FET se llama el source común o
“common source”.
Características de Señal Pequeña:
•
Ganancia de voltaje:
•
Ganancia de corriente:
•
Resistencia de entrada:
•
Resistencia de salida:
Donde gm es la transconductancia en siemens dado por:
,
es la
corriente de colector, VT es el voltaje termal ≈ 26 mV,
la cual es la
ganancia de corriente a frecuencias bajas (también conocido como hFE) y
.
PROCEDIMIENTO
1. Amplificador a transistores.
Monte el siguiente amplificador:
2. Polarización
Para el amplificador de la figura anterior mida los siguientes valores de polarización (con
el multímetro).
Punto de medida
VB
VE
VC
Calcule el valor de re = 26mV/IC
Valor
re = ______________
Calcule el valor de hFE= IC/IB?
hFE=______________
3. Parte AC
Con el osciloscopio determine la ganancia del amplificador?
Av1 = Vo/Vin = ___________________
Ahora quite el condensador de 100 uF y mida la ganancia.
Av2 = Vo/Vin = ___________________
Responda las siguientes preguntas:
-
¿A qué se debe la diferencia entre los dos valores de ganancia (Av1 y Av2)?
¿Cómo es la fase entre Vin y Vo para este amplificador?
Diga sus conclusiones de esta práctica.
PRACTICA 9
AMPLIFICADOR OPERACIONAL.
Elementos requeridos:
1 Amplificador Operacional LM741.
1 Resistencia de 1K
2 Resistencias de 10 K
1 Resistencias de 5 K
1 Resistencia de 330 Ohmios
¿Qué son los amplificadores operacionales?
Los amplificadores operacionales, o OP-AMP, son amplificadores de voltaje de alta
ganancia con entradas diferenciales y usualmente una salida. Normalmente la salida de
los OP-AMP son controlados por un lazo de retroalimentación negativa que determina
casi en totalidad el voltaje de salida para cierta entrada. El término de entradas
diferenciales de voltaje proviene de la idea que uno de las entradas del OP-AMP es
inverso (V-), mientras el otro no es inverso (V+). Idealmente el OP-AMP amplifica solo la
diferencia de voltaje entre las dos entradas. El término de retroalimentación proviene de
la idea que la salida del OP-AMP tiene un cable que conecta parte de esta salida a una de
las entradas. En la retroalimentación negativa, la salida esta conectada a la entrada
inversa. En retroalimentación positiva, la salida esta conectada a la entrada no inversa. Si
la salida no esta conectada a ninguna de las entradas, se conoce como que el OP-AMP
esta trabajando en lazo abierto o “open loop”. La ganancia de salida en estos casos se
puede determinar por la relación de sus entradas y la ganancia del lazo abierto:
Los OP-AMP reciben dos entradas denotadas V+ y V_ y deben ser polarizadas por unos
valores especificados de fuente negativa y positiva denotados VS+ y VS_.
Tipos de OP-AMP y Aplicaciones
Los OP-AMP se usan para una variedad de aplicaciones eléctricas. Algunos ejemplos
son: comparadores de voltaje, rectificadores de precisión, convertidores digital a análogo,
osciladores, filtros, diferenciadores, integradores y pre-amplificadores de audio y video.
Los OP-AMP también son utilizados en una variedad de aplicaciones de circuitos
lineales, donde las entradas son comparadas de alguna forma y la salida muestra el
resultado. Lo siguiente son algunos ejemplos:
•
•
•
•
No Inversores: Amplifican un voltaje de entrada.
Inversores: Invierten y amplifican un voltaje de entrada.
Diferencias: Muestra en la salida la diferencia o resta de las dos entradas.
Diferenciales: Muestra en la salida la diferencia o resta entre las dos entradas
después de ser multiplicadas por una cierta constante.
•
•
•
Sumadores: Muestra en la salida la suma de varias entradas de voltaje.
Integradores: Muestra en la salida la integración de una señal de entrada a través
del tiempo.
Comparadores: Muestra en la salida el valor de uno de las entradas al OP-AMP
de fuente (VS) dependiendo de cual entrada era más alta. Si V1 > V2, la salida es
VS+. Si V1 < V2, la salida es VS_.
PROCEDIMIENTO
1. Amplificador Inversor:
Monte el siguiente amplificador con el Operacional LM741.
Calcule la ganancia del amplificador:
Av = Vo/Vin = ________________________
2. Amplificador NO Inversor:
Monte el siguiente amplificador con el Operacional LM741.
Calcule la ganancia del amplificador:
Av = Vo/Vin = ________________________
3. Comparador:
Monte el siguiente circuito
Con los valores de R1 y R2 de la tabla. Anote primero el valor del Voltaje de Referencia.
Luego empiece a variar Vin desde 0 voltios y encuentre el valor en el que los LED
intercambian encendido. Ese valor de voltaje apúntelo en la tabla.
R1
10K
10K
5K
R2
10K
5K
10K
VREF
Vin (Cambio de LED)
Responda las siguientes preguntas:
-
¿Tiene ventajas el uso de amplificadores operacionales sobre el uso de
transistores?
De las 3 aplicaciones, ¿cuál es no lineal? Justifique su respuesta.
¿Qué usos vislumbra para el circuito 3?
Diga sus conclusiones de esta práctica.
LM741
Operational Amplifier
General Description
The LM741 series are general purpose operational amplifiers which feature improved performance over industry standards like the LM709. They are direct, plug-in replacements
for the 709C, LM201, MC1439 and 748 in most applications.
The amplifiers offer many features which make their application nearly foolproof: overload protection on the input and
output, no latch-up when the common mode range is exceeded, as well as freedom from oscillations.
The LM741C is identical to the LM741/LM741A except that
the LM741C has their performance guaranteed over a 0˚C to
+70˚C temperature range, instead of −55˚C to +125˚C.
Features
Connection Diagrams
Metal Can Package
Dual-In-Line or S.O. Package
00934103
00934102
Note 1: LM741H is available per JM38510/10101
Order Number LM741H, LM741H/883 (Note 1),
LM741AH/883 or LM741CH
See NS Package Number H08C
Order Number LM741J, LM741J/883, LM741CN
See NS Package Number J08A, M08A or N08E
Ceramic Flatpak
00934106
Order Number LM741W/883
See NS Package Number W10A
Typical Application
Offset Nulling Circuit
00934107
© 2004 National Semiconductor Corporation
DS009341
www.national.com
LM741 Operational Amplifier
August 2000
LM741
Absolute Maximum Ratings (Note 2)
If Military/Aerospace specified devices are required,
please contact the National Semiconductor Sales Office/
Distributors for availability and specifications.
(Note 7)
LM741A
LM741
± 22V
± 22V
± 18V
500 mW
500 mW
500 mW
± 30V
± 15V
± 30V
± 15V
± 30V
± 15V
Output Short Circuit Duration
Continuous
Continuous
Continuous
Operating Temperature Range
−55˚C to +125˚C
−55˚C to +125˚C
0˚C to +70˚C
Storage Temperature Range
−65˚C to +150˚C
−65˚C to +150˚C
−65˚C to +150˚C
150˚C
150˚C
100˚C
N-Package (10 seconds)
260˚C
260˚C
260˚C
J- or H-Package (10 seconds)
300˚C
300˚C
300˚C
Vapor Phase (60 seconds)
215˚C
215˚C
215˚C
Infrared (15 seconds)
215˚C
215˚C
215˚C
Supply Voltage
Power Dissipation (Note 3)
Differential Input Voltage
Input Voltage (Note 4)
Junction Temperature
LM741C
Soldering Information
M-Package
See AN-450 “Surface Mounting Methods and Their Effect on Product Reliability” for other methods of
soldering
surface mount devices.
ESD Tolerance (Note 8)
400V
400V
400V
Electrical Characteristics (Note 5)
Parameter
Conditions
LM741A
Min
Input Offset Voltage
LM741
Min
LM741C
Typ
Max
1.0
5.0
Min
Units
Typ
Max
Typ
Max
0.8
3.0
2.0
6.0
mV
4.0
mV
TA = 25˚C
RS ≤ 10 kΩ
RS ≤ 50Ω
mV
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX
RS ≤ 50Ω
RS ≤ 10 kΩ
6.0
Average Input Offset
7.5
15
mV
µV/˚C
Voltage Drift
Input Offset Voltage
TA = 25˚C, VS = ± 20V
± 10
± 15
± 15
mV
Adjustment Range
Input Offset Current
TA = 25˚C
3.0
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX
Average Input Offset
30
20
200
70
85
500
20
200
nA
300
nA
0.5
nA/˚C
Current Drift
Input Bias Current
TA = 25˚C
Input Resistance
TA = 25˚C, VS = ± 20V
1.0
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX,
0.5
30
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX
80
80
0.210
6.0
500
80
1.5
0.3
2.0
500
0.8
0.3
2.0
nA
µA
MΩ
MΩ
VS = ± 20V
Input Voltage Range
± 12
TA = 25˚C
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX
www.national.com
± 12
2
± 13
± 13
V
V
Parameter
(Continued)
Conditions
LM741A
Min
Large Signal Voltage Gain
Typ
LM741
Max
Min
Typ
50
200
LM741C
Max
Min
Typ
20
200
Units
Max
TA = 25˚C, RL ≥ 2 kΩ
VS = ± 20V, VO = ± 15V
50
V/mV
VS = ± 15V, VO = ± 10V
V/mV
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX,
RL ≥ 2 kΩ,
VS = ± 20V, VO = ± 15V
32
V/mV
VS = ± 15V, VO = ± 10V
VS = ± 5V, VO = ± 2V
Output Voltage Swing
25
15
V/mV
10
V/mV
± 16
± 15
V
VS = ± 20V
RL ≥ 10 kΩ
RL ≥ 2 kΩ
V
VS = ± 15V
RL ≥ 10 kΩ
± 12
± 10
RL ≥ 2 kΩ
Output Short Circuit
TA = 25˚C
10
Current
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX
10
Common-Mode
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX
Rejection Ratio
25
35
Supply Voltage Rejection
TAMIN ≤ TA ≤ TAMAX,
Ratio
VS = ± 20V to VS = ± 5V
RS ≤ 50Ω
25
± 14
± 13
V
25
mA
95
86
96
90
70
90
dB
77
96
77
96
dB
µs
TA = 25˚C, Unity Gain
0.25
0.8
0.3
0.3
Overshoot
6.0
20
5
5
TA = 25˚C
Slew Rate
TA = 25˚C, Unity Gain
Supply Current
TA = 25˚C
Power Consumption
TA = 25˚C
0.437
1.5
0.3
0.7
VS = ± 20V
80
LM741
%
MHz
0.5
0.5
V/µs
1.7
2.8
1.7
2.8
mA
50
85
50
85
mW
150
VS = ± 15V
LM741A
dB
dB
Rise Time
Bandwidth (Note 6)
V
mA
70
80
RS ≤ 10 kΩ
Transient Response
± 12
± 10
40
RS ≤ 10 kΩ, VCM = ± 12V
RS ≤ 50Ω, VCM = ± 12V
± 14
± 13
mW
VS = ± 20V
TA = TAMIN
165
mW
TA = TAMAX
135
mW
VS = ± 15V
TA = TAMIN
60
100
mW
TA = TAMAX
45
75
mW
Note 2: “Absolute Maximum Ratings” indicate limits beyond which damage to the device may occur. Operating Ratings indicate conditions for which the device is
functional, but do not guarantee specific performance limits.
3
www.national.com
LM741
Electrical Characteristics (Note 5)
PRACTICA 10
CIRCUITOS DE LOGICA.
Elementos requeridos:
2 Two Bit Adders 7482.
5 Resistencias de 330 Ohmios
¿Qué son compuertas lógicas?
Compuertas lógicas en electrónica son componentes compuestos utilizados para realizar
una operación lógica y devolver una salida lógica. Salidas y entradas lógicas toman la
forma de un cero (“high” de voltaje) o uno (“low” de voltaje) lógico. La idea básica es
que se puede utilizar varias compuertas básicas para hacer una o varias ecuaciones
lógicas que pueden evaluar dicha o dichas funciones en base a ciertas entradas. Esta
lógica se usa en circuitos integrados para llevar a cabo decisiones de control. Las
compuertas básicas son AND, OR, NOT, XOR, XNOR, NAND y NOR. Con estas
compuertas se puede hacer una variedad de ecuaciones lógicas y aplicaciones lógicas.
Tablas de la Verdad y Compuertas
Un concepto muy importante en el momento de evaluar ecuaciones y compuertas lógicas
son las tablas de la verdad o “truth tables”. Estas tablas representan todas las posibles
entradas, cálculos formulados basándose en las entradas y resultados. La forma de hacer
una tabla de la verdad es sencilla. Se escribe una letra por cada variable lógica o “bit” de
entrada. Luego se evalúa cada compuerta basándose en las entradas. Al final se combinan
las compuertas en cada ecuación y se llega a un resultado final.
Aplicaciones de los Circuitos Lógicos:
Hay una variedad de diferentes aplicaciones que se pueden hacer con las compuertas y
ecuaciones lógicas. Un componente que se puede producir con compuertas lógicas es el
sumador o “adder”. La idea básica de este componente es sumar dos números binarios y
regresar en la salida el resultado binario. Por ejemplo, si los números entrados fueran
0101 (01 o 1 y 01 o 1), el resultado seria 10 (1 + 1 = 2). Existen dos tipos de sumadores:
las completas y las medias (“Full” o “Half”). Las medias suman dos números binarios y
regresan un resultado con un número llamado el “carry”. Este valor “carry” es un “bit”
binario adicional en el caso de que se suma el valor máximo que puede retener el
sumador. En binario, un número de un solo “bit” sumado a otro número de un solo “bit”
puede producir un número de un “bit” o dos. Los sumadores completos son iguales, pero
aceptan también un “carry” de entrada. La ventaja de esto es que se puede obtener un
sumador de más dígitos conectando varios sumadores pequeños en cascada por sus
valores de “carry”.
PROCEDIMIENTO
1. Tablas de la Verdad y Ecuaciones Lógicas:
Observa el siguiente circuito lógico y trata de construir la tabla de la verdad completa
para el circuito. No se olvide que cada compuerta y combinación de compuertas debe ser
una columna separada en la tabla:
2. Full Adder de 4 bits:
Monte un Full Adder de 4 bits utilizando los dos Full Adders de 2 bits. Recuerda que el
primer “carry in” va a tierra. Conecte cada resistencia de 330 Ω a cada “sum” de los
Adders y al último “carry out”, luego las resistencias van a tierra. Utilice un voltaje de 3V
para simular un 1 lógico.
Llene la siguiente tabla con sus resultados:
Entradas (A11, A12, B11, B12,
A21, A22, B21, B22)
Ej. 00 00 00 00
01 01 00 10
10 00 10 00
10 00 01 01
00 01 00 01
00 10 10 00
Salidas Calculadas (S11,
S12, S21, S22, C22)
Ej. 00 00 0
Salidas Medidas (S11, S12,
S21, S22, C22)
Ej. 00 00 0
Configuración de Terminales del 7482:
Responda las siguientes preguntas:
-
¿Cuál es la diferencia entre un Half Adder y un Full Adder?
¿Qué otras aplicaciones se pueden hacer con las compuertas lógicas?
Diga sus conclusiones de esta práctica.