Transistores Estudio del funcionamiento del transistor bipolar como

TRABAJO PRÁCTICO NÚMERO 4: Transistores
Estudio del funcionamiento del transistor bipolar como elemento digital
Objetivos
Efectuar el estudio del funcionamiento de un transistor bipolar como elemento digital,
mediante la obtención de la recta de carga del circuito estudiado y la identificación de las
zonas de saturación y de corte.
Introducción teórica
El transistor bipolar es un dispositivo compuesto básicamente por tres capas de materiales
semiconductores extrínsecos, que dan lugar a dos junturas. Existen dos tipos de transistores
de acuerdo a la disposición de las capas semiconductoras: NPN y PNP. El transistor presenta
tres terminales de conexión, uno por cada capa, que se denominan: base, colector y emisor.
La base tiene conductividad contraria a la de los otros terminales y es la encargada de
realizar el control de la corriente que atraviesa por el colector y emisor.
El transitor presenta tres modos de funcionamiento: Saturación: es el estado en que el
transitor funciona como un interruptor cerrado (Vce ~ nula, Ic máxima); Corte: es el estado
contrario al anterior en el cual el transistor funciona como un interruptor abierto (Vce
máxima, Ic ~ nula); Amplificación: es el estado en el cual el transistor permite, a través de
pequeñas señales (corriente de base – Ib), manejar corrientes mucho mayores (del orden de
cien veces) en la rama colector-emisor.
Elementos necesarios
Multímetro (3), Protoboard.
Fuente de corriente continua (2).
Resistencias: Rc = 390 Ω, Rb = 10 KΩ.
Transistor BD137.
Desarrollo de la experiencia
Parte a) Verificación e identificación de los terminales de un transistor
1. Con el multímetro en la escala de resistencia eléctrica verificar la polaridad de las puntas
del multímetro.
2. Muchos multímetros digitales permiten medir la ganancia de corriente (β) de los
transistores en una posición generalmente identificada como hfe. Sólo cuando base,
colector y emisor del transistor están correctamente ubicados puede leerse el valor
correspondiente.
Parte b) Determinación de la recta de carga del circuito.
1. Armar el circuito de la figura, utilizando dos fuentes de tensión, Vbb y Vcc, y tres
multímetros, dos como miliamperímetros, Ib e Ic, y uno como voltímetro Vce.
2. Ajustar Vcc =10 V y Vbb = 0 V. Comenzar a variar Vbb hasta conseguir sucesivamente
los valores indicados en la tabla, anotando las lecturas correspondientes de Ic, Ib y Vce.
3. Calcular el valor de la ganancia de corriente β=Ic/Ib.
4. Completar la tabla con los valores medidos ( Vce, Ic, Ib ) y los valores calculados ( β ).
5. Representar la curva Ic vs Vce, recta de carga del circuito ensayado.
Cuestionario
•
Identificar en la curva representada en 5., la zona de saturación y la zona de corte.
•
Si tomamos como entrada a Vbb y como salida a Vce; explicar qué función lógica resulta
y dar su tabla de verdad. Explicar qué consideraciones debieran tenerse respecto de las
tensiones de entrada y de salida para que el circuito funcione según la tabla de verdad
realizada.
Vbb
Ic (mA)
Vce (V)
Ib (mA)
β
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
2.2
2.4
2.6
2.8
3
3.2
3.4
3.6
3.8
4
4.2
4.4
4.6
4.8
5
TABLA: Valores de Ic vs Vce para distintos valores de Vbb
Resolución:
Cálculo de la malla de Salida
Para el desarrollo del experimento utilizamos una Vcc de 12V y consideramos que la
corriente Ic de saturación debería ser de 20 mA, con estos valores calculamos Rc:
Rc = Vcc / Icsat = 12V / 20mA = 600 Ω
Como 600Ω no es un valor estándar de resistencia utilizamos una resistencia de 470Ω de las
cuales había disponibilidad en el laboratorio. Entonces recalculamos la corriente Ic para este
nuevo valor:
Icsat = Vcc / Rc = 12V / 470 Ω = 25,53mA
Luego calculamos la potencia disipada en la resistencia para los valores de Ic en saturación y
Vcc:
PRc = Vcc . Icsat = 12V . 25.53mA = 306,38 mW
Debido al cálculo anterior concluimos que debíamos utilizar una resistencia de ½ Watt de
potencia.
Cálculo de la malla de entrada
Para el desarrollo del experimento utilizamos una Vbb variable de 0 a 12V y medimos con el
instrumento un β de 350. Entonces calculamos la Ib mínima para saturar al transistor
aplicando una Vbb de 4V:
Ib = Ic / β = 25.53mA / 350 = 0,0729mA
Luego calculamos la resistencia Rb para los valores de Ib y Vbb:
Rb = Vbb – Vbe / Icsat = ( 4V - 0,7V ) / 0,0729mA = 45,24KΩ
Como 45,24KΩ no es un valor estándar de resistencia utilizamos dos resistencias de 22KΩ
en serie sumando 44KΩ, de las cuales había disponibilidad en el laboratorio. Entonces
recalculamos la tensión de Vbb que producirá la saturación del transistor para este valor de
Rb:
Vbb = Vbe + ( Ib . Rb ) = 0,7V + ( 0.0729mA . 44KΩ ) = 3,9V
Por los cálculos anteriores concluimos que el transistor debería comenzar a entrar en el
estado de saturación al aplicarle una Vbb de 3,9V.
Se obtuvieron los siguientes resultados expresados en la tabla I.
Tabla I – Valores medidos
Luego con el objetivo de contrastar los valores obtenidos en la tabla I con la recta de carga
del circuito se realizaron los siguientes cálculos que permitieron obtener la recta de carga.
Ic = ( Vcc – Vce ) / Rc = Vcc / Rc - Vce / Rc
Vcc / Rc = cte
Tabla II – Comparación Valores medidos con recta de carga.
Gráfico I – Recta de carga
Respuestas al cuestionario
En el gráfico anterior se puede observar claramente la zona de corte (Vce máx.) cuando Vce
es igual a Vcc y la zona de saturación (Ic máx.) donde Ic es igual a Vcc / Rc.
Si se considerara a Vbb como la entrada y Vce como la salida de un circuito digital se
obtendría la función lógica NOT, es decir si se coloca “0” a la entrada se obtiene “1” a la
salida y viceversa.
Conclusiones
Gracias a las mediciones realizadas se pudo verificar el funcionamiento del transistor bipolar
observando su comportamiento en la zona lineal, de corte y de saturación. Se pudo verificar
que los valores obtenidos en los cálculos se pueden comprobar perfectamente
experimentalmente.