1 BENEMERITA UNIVERSIDAD AUTONOMA DE PUEBLA FACULTAD DE CIENCIAS DE LA ELECTRÓNICA INGENIERIA EN SISTEMAS AUTOMOTRICES DIPOSITIVOS ELECTRONICOS PRÁCTICA: 02 TRANSISTORES BJT INTEGRANTES: GONZÁLEZ VARGAS EDGAR ARTURO MADRID TORRES ROGELIO SALAS ESCLANTE PEDRO PROFESOR: ANTONIO MICHUA CAMARILLO PUEBLA, PUEBLA. 11 DE NOVIEMBRE DE 2019 2 I. Introducción: 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. Dos tipos básicos de transistores son el transistor de unión bipolar (BJT, bipolar junction transistor) y el transistor de efecto de campo (FET, field-effect transistor). El BJT se utiliza en dos áreas extensas: como amplificador lineal para reforzar o amplificar una señal eléctrica y como interruptor electrónico. II. Objetivo: El estudiante analizará, diseñará, simulará e implementará circuitos electrónicos considerando el modelado y las limitaciones de los dispositivos. Asimismo, manejará los equipos de instrumentación y prueba para medir y caracterizar dichos dispositivos y circuitos electrónicos. Caracterizar un BJT, para identificar cada una de sus regiones de operación. III. Lista de material y equipo: MATERIAL 1 transistor 2N2222 1 resistencia de 220K 1 resistencia de 2.2K 1 resistencia de 120K 1 resistencia 1K 1 protoboard IV. EQUIPO Fuente de voltaje Multímetro Antecedentes: La invención del transistor en 1947 fue galardonada con el premio Novel de física. Algunos historiadores lo consideran como “el mayor invento del siglo XX”. Fue un invento fundamental para el desarrollo tecnológico de nuestro tiempo. Sin los transistores el mundo tecnológico que nos rodea no habría sido posible: radio, televisión, calculadoras, relojes digitales, ordenadores, MP3, equipos de música, DVD…En el material de las prácticas encontraras dos modelos distintos de transistores el BD135 y BC547. El transistor está formado por la unión de tres semiconductores. Puede ser NPN o PNP. En nuestro caso son NPN. Tiene tres patillas: Emisor, Base y Colector. Sobre su carcasa encontremos escrito su nombre o referencia. Este es su símbolo. La intensidad entra en el transistor por el colector (C) y sale por el emisor (E). 3 La intensidad que entra por la base (B) del transistor es la responsable de controlar el funcionamiento del transistor, que puede funcionar como un INTERRUPTOR o como un AMPLIFICADOR. Hay que analizar cada transistor dentro del circuito en el que se encuentra, de modo que, dependiendo de la intensidad que entra por su base (IB) se comportará como un IMTERRUPTOR (que se abre o se cierra entre colector y emisor) o como un AMPLIFICADOR (que deja pasar más o menos intensidad de colector a emisor dependiendo del valor de la IB) Transistor 2N2222 El transistor 2N2222, también identificado como PN2222, es un transistor bipolar NPN de baja potencia de uso general. Sirve tanto para aplicaciones de amplificación como de conmutación. Puede amplificar pequeñas corrientes a tensiones pequeñas o medias; por lo tanto, sólo puede tratar potencias bajas (no mayores de medio vatio). Puede trabajar a frecuencias medianamente altas. Por todas esas razones, es un transistor de uso general, frecuentemente utilizados en aplicaciones de radio por los constructores aficionados de radios. Es uno de los transistores oficiales utilizados en el BITX. Su versatilidad ha permitido incluso al club de radioaficionados Norcal lanzar en 1999 un desafío de construir un transceptor de radio utilizando únicamente hasta 22 ejemplares de este transistor - y ningún circuito integrado. La res máximos garantizados 500 miliamperios, 50 voltios de tensión de colector, y hasta 500 milivoltios de potencia. La frecuencia de transición es de 250 a 300 MHz, lo que permite utilizarlo en aplicaciones de radio de alta frecuencia (hasta 50 MHz). La beta del transistor es de por lo menos 100; valores de 150 son típicos. El 2N2222 es fabricado en diferentes formatos, los más comunes son los TO-92, TO-18, SOT-23, y SOT-223. Su complemento PNP es el 2N2907. Otro transistor de características similares, pero de mayor potencia es el 2N2219. Es un transistor en formato TO-39, con una frecuencia de transición de 300 MHz, por lo cual puede ser usado en transmisores y amplificadores para HF, con una potencia de salida de 1 a 2 watts, sabiendo que la máxima potencia que puede llevar a cabo es de 3 watts. Su complementario PNP es el 2N2905 al igual que el 2N2907. 4 V. Desarrollo experimental y teórico: 1) Circuito de polarización fija En la siguiente figura se muestra el circuito de polarización fija, proporciona una introducción relativamente directa y simple al análisis de polarización de CD de un transistor. Aun cuando la red emplea n transistor NPN, las ecuaciones y cálculos se aplican en forma correcta por igual a una configuración PNP con sólo cambiar todas las direcciones de corriente y polaridades de voltaje. Ejercicio: Circuito de polarización fija Determinar la siguiente para la configuración de Polarización fija, con una β=112 para el transistor 2N2222, hacer su simulación en Proteus y realizarlo físicamente. a) b) c) d) e) 𝐼𝐵 e 𝐼𝑐 𝑉𝐶𝐸 𝑉𝐵 e 𝑉𝐶 𝑉𝐵𝐶 𝛽 = 106 5 Cálculos: Observación: la resistencia de 2.2kΩ fue sustituida por una resistencia armada, la cual tenía aproximadamente 2.33kΩ, teniendo una variación de 130Ω 𝐼𝐵 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵𝐸 5𝑉 − 0.7𝑉 = = 𝟏𝟗. 𝟓𝟒µ𝑨 𝑅𝐵 220𝐾Ω 𝐼𝐶 = β𝐼𝐵 = (106)(19.54µ𝐴) = 𝟐. 𝟎𝟕𝒎𝑨 𝑉𝑅𝐵 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵𝐸 = 5𝑉 − 0.7𝑉 = 𝟒. 𝟑𝑽 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝑅𝐶 𝐼𝐶 = (5𝑉) − (2.07𝑚𝐴)(2.33𝐾Ω) = 𝟏𝟕𝟐. 𝟔𝟔𝒎𝑽 𝑉𝑅𝐶 = 𝑅𝐶 𝐼𝐶 = (2.005𝑚𝐴)(2.2𝐾Ω) = 𝟒. 𝟒𝟏𝟏𝑽 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶 − 𝑉𝐸 , 𝑉𝐸 = 0 𝑉𝐵𝐸 = 𝑉𝐵 − 𝑉𝐸 →𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶 = 172.66𝑚𝑉 𝑉𝐸 = 0 𝑉𝐵𝐸 = 𝟎. 𝟕𝒗 𝑉𝐵𝐶 = 𝑉𝐵 − 𝑉𝐶 = 0.7𝑉 − (172.66𝑚𝑉) = 𝟓𝟐𝟕. 𝟑𝟒𝒎𝑽 1. Análisis de resultados Ejercicio 1: TEORICA PRACTICA SIMULACION 𝑰𝑩 19.54µA 19.9µA 19.65µA 𝑰𝑪 2.07mA 2.118mA 2.07mA 𝑽𝑪𝑬 172.66mV 73.33mV 176.06mV 𝑽𝑩𝑪 527.34mV 580mV 500.61mV 𝑽𝑩 0.7V 0.74V 0.676V 𝑽𝑪 172.66mV 74.8mV 176.06mV MEDICION 6 Simulación: 7 2. Circuito de Polarización Estabilizado en Emisor En la siguiente figura se muestra el circuito de polarización de polarización estabilizado en el emisor que como su nombre lo dice mejora una polarización de OC del BEE incorporándole un resistor en el emisor (La corriente y el Voltaje en polarización DC permanecerán cerca de los niveles establecidos por el circuito a pesar de cambios en las condiciones exteriores come la temperatura y la beta del transistor). A continuación se demostrará matemáticamente. Ejercicio: Circuito de Polarización Estabilizado en Emisor a) 𝐼𝐵 e 𝐼𝑐 b) 𝑉𝐶𝐸 c) 𝑉𝐵 , 𝑉𝐶 y 𝑉𝐸 d) 𝑉𝐵𝐶 e) 𝛽 = 112 Cálculos: 𝐼𝐵 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵𝐸 5𝑉 − 0.7𝑉 = = 𝟏𝟐. 𝟗𝟏µ𝑨 𝑅𝐵 + 𝑅𝐸 (𝛽 + 1) 220𝐾Ω + (1𝐾Ω)(112 + 1) 𝐼𝐶 = 𝛽𝐼𝐵 = (112)(12.91µ𝐴) = 𝟏. 𝟒𝟒𝒎𝑨 𝐼𝐸 = (𝛽 + 1)𝐼𝐵 = (112 + 1)(12.91µ𝑨) = 𝟏. 𝟒𝟓𝟗𝒎𝑨 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶 𝑅𝐶 − 𝐼𝐸 𝑅𝐸 = 5𝑉 − (1.44𝑚𝐴)(2.33𝐾Ω) − (1.459𝑚𝐴)(1𝐾Ω) = 𝟏𝟕𝟏. 𝟐𝟒𝒎𝑽 8 𝑉𝐵 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐵 𝑅𝐵 = 5𝑉 − (12.91µ𝐴)(220𝐾Ω) = 𝟐. 𝟏𝟓𝟗𝟖𝑽 𝑉𝐶 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶 𝑅𝐶 = 5𝑉 − (1.44𝑚𝐴)(2.33𝐾Ω) = 𝟏. 𝟔𝟒𝑽 𝑉𝐸 = 𝑉𝐵 − 𝑉𝐵𝐸 = 2.1598𝑉 − 0.7𝑉 = 𝟏. 𝟒𝟓𝟗𝟖𝑽 𝑉𝐵𝐶 = 𝑉𝐵 − 𝑉𝐶 = 2.1598𝑉 − 1.644𝑉 = 𝟓𝟏𝟗. 𝟖𝒎𝑽 Análisis de resultados: MEDICION TEORICA PRACTICA SIMULACIÓN 𝑰𝑩 12.91µ𝐴 13.13µ𝐴 13.04µ𝐴 𝑰𝑪 1.44𝑚𝐴 1.481𝑚𝐴 1.449𝑚𝐴 𝑽𝑩 2.1598𝑉 2.14𝑉 2.129𝑉 𝑽𝑪 1.64𝑉 1.570𝑉 1.622𝑉 𝑽𝑬 1.4598𝑉 1.484𝑉 1.462𝑉 𝑽𝑪𝑬 171.24𝑚𝑉 75.3𝑚𝑉 160.1𝑚𝑉 𝑽𝑩𝑪 519.8𝑚𝑉 570𝑚𝑉 506.62𝑚𝑉 Simulación: 9 3. Circuito de Polarización Por Divisor de Voltaje En las configuraciones de polarización previas, la Corriente le y el Voltaje Va. de polarización eran función de la ganancia de corriente /3 del transistor. Debido a que β es sensible a la temperatura, especialmente para el caso de los transistores de silicio y a que el valor de β normalmente no se encuentra bien definida, sería deseable desarrollar un circuito de polarización que sea menos dependiente. La siguiente configuración cumple con tales condiciones. 10 Ejercicio Circuito de Polarización Por Divisor de Voltaje a) b) c) d) e) 𝑅𝑇𝐻 y 𝐸𝑇𝐻 𝐼𝐵 , 𝐼𝐶 𝑒 𝐼𝐸 𝑉𝐵 , 𝑉𝐶 y 𝑉𝐸 𝑉𝐵𝐶 y 𝑉𝐶𝐸 𝛽 = 190 Cálculos: 𝐼𝐵 = 𝑅𝑇𝐻 = (𝑅1 )(𝑅2 ) (220𝐾Ω)(120𝐾Ω) = = 𝟕𝟕. 𝟔𝟒𝟕𝑲Ω 𝑅1 + 𝑅2 220𝐾Ω + (120𝐾Ω) 𝐸𝑇𝐻 = (𝑉𝐶𝐶 )(𝑅2 ) (5𝑉)(120𝐾Ω) = = 𝟏. 𝟕𝟔𝟒𝟕𝑽 𝑅1 + 𝑅2 220𝐾Ω + (120𝐾Ω) 𝐸𝑇𝐻 − 𝑉𝐵𝐸 1.7647𝑉 − 0.7𝑉 = = 𝟑. 𝟗𝟔𝟑µ𝑨 𝑅𝑇𝐻 + 𝑅𝐸 (𝛽 + 1) 77.647𝐾Ω + 1𝐾Ω(190 + 1) 𝐼𝐶 = 𝛽𝐼𝐵 = (190)(3.963µ𝐴) = 𝟕𝟓𝟐. 𝟗𝟕µ𝑨 𝐼𝐸 = (𝛽 + 1)𝐼𝐵 = (190 + 1)(3.963µ𝐴) = 𝟕𝟓𝟔. 𝟗𝟑µ𝑨 𝑉𝐸 = 𝐼𝐸 𝑅𝐸 = (756.93µ𝐴)(1𝐾Ω) = 𝟕𝟓𝟔. 𝟗𝟑𝒎𝑽 𝑉𝐵 = 𝑉𝐸 + 𝑉𝐵𝐸 = 756.93𝑚𝑉 + 0.7𝑉 = 𝟏. 𝟒𝟓𝟔𝟗𝟑𝑽 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶 𝑅𝐶 − 𝐼𝐸 𝑅𝐸 = 5𝑉 − (752.97µ𝐴)(2.33𝐾Ω) − (756.93µ𝐴)(1𝐾Ω) = 𝟐. 𝟒𝟖𝟖𝑽 𝑉𝐶 = 𝑉𝐸 + 𝑉𝐶𝐸 = 756.93𝑚𝑉 + 2.488𝑉 = 𝟑. 𝟐𝟒𝟓𝑽 𝑉𝐵𝐶 = 𝑉𝐵 − 𝑉𝐶 = 1.45693𝑉 − 3.245𝑉 = −𝟏. 𝟕𝟖𝟖𝑽 Análisis: MEDICION 𝑹𝑻𝑯 𝑬𝑻𝑯 𝑰𝑩 𝑰𝑪 TEORICA 77.647𝐾Ω 1.7647𝑉 3.963µ𝐴 752.97µ𝐴 PRACTICA 77.647𝐾Ω 1.7647𝑉 4.18µ𝐴 870µ𝐴 SIMULACIÓN 77.64705𝐾Ω 1.7647𝑉 3.958µ𝐴 803.99µ𝐴 11 𝑰𝑬 𝑽𝑩 𝑽𝑪 𝑽𝑬 𝑽𝑪𝑬 𝑽𝑩𝑪 Simulación: 756.93µ𝐴 1.45693𝑉 3.245𝑉 756.93𝑚𝑉 2.488𝑉 −1.788𝑉 818µ𝐴 1.5095𝑉 3.021𝑉 890.2𝑚𝑉 2.106𝑉 −1.452𝑉 807.96µ𝐴 1.45733𝑉 3.12668𝑉 807.958𝑚𝑉 2.318𝑉 −1.66935 12 4. Circuito de Polarización de DC Por Retroalimentación de Voltaje Es posible obtener un mejor nivel de estabilidad al introducir una trayectoria de retroalimentación desde el colector a la base. La sensibilidad ante cambios en la beta o a variaciones de temperatura es normalmente menor que la que se encuentra en las configuraciones de polarización fija o de polarización en emisor. El análisis nuevamente se efectuará comenzando por analizar la malla base-emisor con los resultados aplicados luego a la malla colector-emisor. Ejercicio Circuito de Polarización de DC Por Retroalimentación de Voltaje a) 𝐼𝐵 , 𝐼𝑐 e 𝐼𝐸 b) 𝑉𝐵 , 𝑉𝐶 e 𝑉𝐸 c) 𝑉𝐶𝐸 d) 𝛽 = 200 Cálculos: 𝐼𝐵 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵𝐸 5𝑉 − 0.7𝑉 = = 𝟒. 𝟖𝟓µ𝑨 𝑅𝐵 + 𝛽(𝑅𝐶 + 𝑅𝐸 ) 220𝐾Ω + 200(2.33𝐾Ω + 1𝐾Ω) 𝐼𝐶 = 𝛽𝐼𝐵 = (200)(4.85µ𝐴) = 𝟗𝟕𝟎µ𝑨 𝐼𝐸 = (𝛽 + 1)𝐼𝐵 = (200 + 1)(4.85µ𝐴) = 𝟗𝟕𝟒. 𝟖𝟓µ𝑨 𝑉𝐸 = 𝐼𝐸 𝑅𝐸 = (974.85𝑚𝐴)(1𝐾Ω) = 𝟗𝟕𝟒. 𝟖𝟓𝒎𝑽 𝑉𝐵 = 𝑉𝐸 + 𝑉𝐵𝐸 = 974.85𝑚𝑉 + 0.7𝑉 = 𝟏. 𝟔𝟕𝟒𝑽 𝑉𝐶 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶 𝑅𝐶 = 5𝑉 − (970µ𝐴)(2.33𝐾Ω) = 𝟐. 𝟕𝟒𝑽 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶 − 𝑉𝐸 = 2.74𝑉 − 974.85𝑚𝑉𝟏. 𝟕𝟔𝟓𝟎𝟓𝑽 = 13 Análisis : MEDICION TEORICA PRACTICA SIMULACIÓN 𝑰𝑩 4.85µ𝐴 4.843µ𝐴 4.867µ𝐴 𝑰𝑪 970µ𝐴 976.3µ𝐴 978.456µ𝐴 𝑰𝑬 974.85µ𝐴 979.24µ𝐴 983.323µ𝐴 𝑽𝑩 1.674𝑉 1.72𝑉 1.63811𝑉 𝑽𝑪 2.74𝑉 2.726𝑉 𝑽𝑬 974.85𝑚𝑉 965.3𝑚𝑉 983.323𝑚𝑉 𝑽𝑪𝑬 1.76505𝑉 1.745𝑉 1.7255𝑉 Simulaciones: 2.70886V 14 Evidencias 15 Conclusiónes: Edgar Arturo González Vargas: La práctica realizada ha demostrado que la parte teórica y práctica se asemejan con ligeros ápices de diferencias. Independientemente de en qué tipo de configuración se utilice un transistor, las relaciones básicas entre las corrientes siempre son las mismas y el voltaje de la base al emisor es el valor de umbral si el transistor está en el estado de “encendido”. La configuración de polarización fija es la más simple de las configuraciones de polarización de transistores, aunque también es bastante inestable debido a la sensibilidad de la beta en el punto de operación. Rogelio Madrid Torres: La práctica realizada acerca de transistores NPN, me ha ayudado a demostrar que la teoría y la práctica de dichos modelos de circuitos se cumplen con un error mínimo, así como pudimos hacer el análisis de cómo se van a comportar ante una fuente de DC. Concluyendo que las aproximaciones vistas en clase son muy acertadas y se asemejan al modelo real de dichos dispositivos. Pedro Salas Escalante: La presente práctica me ha dado la certeza de las correctas aproximaciones estudiadas en clase, ya que he confirmado la similitud de los datos obtenidos en la práctica, los cálculos y la simulación. Además del comportamiento del transistor dependiendo de la configuración analizada. 16 Bibliografía Floyd, T. L. (México). Dispositivos electrónicos Octava edición. 2008: PEARSON EDUCACIÓN. L. Boylestad, R., & Nashelsky, L. (2009). Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. México: PEARSON EDUCACIÓN.
