Lab N4 - Circuitos Con Transistores

7/23/2019 Lab N4 - Circuitos Con Transistores

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UNIVERSIDAD DE PIURA

Facultad de Ingeniería y Arquitectura

Programa Académico de Ingeniería MecánicoEléctrica

!ur"o# Electrónica General (EL)

$uía de %a&oratorio N' (

)ema# Circuitos con transistores

1. Introducción

Estudiaremos un dispositivo electrónico semiconductor: el transistor.

Actualmente se encuentran prácticamente en todos los aparatos

domésticos de uso diario: radios, televisores, hornos de microondas,

lavadoras, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas,ordenadores, ecógrafos, teléfonos celulares, etc.

Tuvieron su origen en la necesidad de amplifcar las señales de radio

y televisión ya que, al llegar a una antena no se tena su!ciente

potencia para e"citar un parlante o un tu#o de televisión. Antes de

éste invento, las señales eran ampli!cadas haciendo uso de válvulas

termoiónicas de tres electrodos, pero éstas tenan varios

inconvenientes como la gran potencia que consuman, su corta

duración, su gran tamaño y la gran cantidad de calor que disipa#an.

En $%&', los cient!cos (ardeen, (rattain y )hoc*ley desarrollan en

los la#oratorios (ell el primer transistor de estado sólido en y cuatro

años más tarde, con la ayuda de )par*s se construyó el primer

transistor de unión #ipolar de microvatio.

En el presente la#oratorio se estudiará la ampli!cación de volta+e y de

corriente mediante el uso de transistores.

2. Sumario de Conceptos

2.1. Transistor

El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que

cumple funciones de ampli!cador, oscilador, conmutador o

recti!cador. n transistor está conformado por tres partes: una

de ellas es la que se encarga de emitir electrones, por lo tanto,

es el emisor, una segunda parte es la que los reci#e, el

denominado colector, y por -ltimo, una tercera parte que operacomo un modulador del paso de los electrones.

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Figura 1: Transistor

En este dispositivo, se forman dos uniones pn/: la unión

colector0#ase y la unión emisor0#ase. A continuación veremos

que la corriente que 1uye por una unión afecta a la corriente en

la otra unión. Esto hace al transistor (2T muy -til como

interruptor o como ampli!cador.

2.2. Transistor BJT

n transistor de unión #ipolar es un dispositivo de tres capas de

semiconductor e"trnseco de tipo n y p, formando as dos

uniones np/. 3ada capa de semiconductor tiene caractersticas

particulares de dopado y dimensiones espec!cas que le

con!eren un funcionamiento peculiar. Tiene tres terminalesunidos a cada una de sus capas, siendo la #ase 4(5 el terminal

unido a la capa intermedia y emisor 4E5 y colector 435 los

terminales unidos a las capas de los e"tremos.

Figura 2: Estructura interna del BJT

6a !nalidad de un transistor es regular el paso de grandes

corrientes con una corriente pequeña. Es as que sus principales

aplicaciones son la ampli!cación de corriente, la ampli!cación

de tensión y regulación del paso de corriente.

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2.3. Dopado en un transistor

3omo se ha dicho, un transistor (2T tiene tres 7onas o capas con

diferente dopado, pudiendo las com#inaciones ser npn/ opnp/ como se aprecia en la !gura 8, dependiendo de esa

con!guración su estructura cam#ia, pero su funcionamiento es

el mismo.

6a #ase es la capa intermedia y presenta un nivel de dopado

muy #a+o. El colector es la capa superior en la ilustración 8 y

presenta un dopado medio, mientras que la capa inferior es el

emisor. En cuanto a la geometra la #ase es signi!cativamente

más estrecha que las otras dos capas.

Figura 3: Unión NPN y PNP

2.4. Funcionamiento de un transistor BJT

)e ha visto que el transistor #ipolar sin polari7ación se

comporta como una unión de dos diodos recti!cadores, sinem#argo no sucede as con el transistor polari7ado ya que se

comporta de una manera muy particular e inesperada9 por lo

que enseguida se e"pondrá este funcionamiento.

2.4.1. Flujo de electrones en el transistor polarizado

Asumiremos que el transistor tra#a+a en modo activo

directo como se o#serva en la con!guración de la !gura &.

3omo se sa#e, el 1u+o de electrones tiene sentido opuesto

al sentido de la corriente. 6os signos menos representan

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los electrones li#res. El emisor, que es una 7ona

altamente dopada, es el que se encarga de inyectar los

electrones a la #ase9 la mayora de estos electrones la

atraviesan y 1uyen hacia el colector. inalmente el

colector es el que reci#e los electrones que de+ó pasar la

#ase para insertarlos nuevamente en el circuito.

Figura 4

Además vemos que cuando los electrones li#res se encuentran en la#ase, pueden seguir dos caminos:

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;ueden recom#inarse con los huecos e"istentes en la

#ase, y salir de la #ase hacia el terminal positivo de la fuente

como electrones de valencia, sin em#argo al tratarse de una

7ona po#remente dopada, esta recom#inación no será en gran

cantidad, por lo tanto el 1u+o de electrones que ingrese por la#ase será pequeño.

El camino que seguirá la mayora de electrones será

pasar hacia el colector9 de#ido a que la 7ona de la #ase es

po#remente dopada y además es muy estrecha, por lo tanto

los electrones li#res solo recorrerán una distancia muy corta

para pasar al colector. na ve7 que la mayora de electrones

li#res ingresan a la 7ona del colector, 1uyen a través de esta

7ona y alcan7arán el terminal positivo de la tensión dealimentación del colector.

2.4.2. Bandas de ener!a

;ara ha#lar de #andas de energa, se necesita indicar si el

transistor esta polari7ado o no, ya que dependiendo de

eso variarán.

3uando el transistor no está polari7ado, vemos que en las

7onas n/ hay electrones li#res en la #anda deconducción9 mientras que en la 7ona p/ hay huecos en la

#anda de valencia9 además al polari7ar el transistor

variarán los niveles de energa.

3omo se puede ver, cuando el transistor se polari7a, los

niveles de energa varan de tal forma que la 7ona n/ del

colector ha #a+ado y la 7ona n/ del emisor ha su#ido con

respecto al caso del circuito no polari7ado.

5



Figura 5

Al anali7ar el transistor polari7ado, podemos o#servar que en

promedio el <= de los electrones se logran recom#inar en la #ase y

pasan a ser electrones de valencia y el %<= restante pasan hacia el

colector. Esto se e"plica por el hecho de que los electrones al pasar a

la #ase no encuentran muchos huecos para recom#inarse. >ás #ien,

fácilmente atraviesan la #ase y llegan al colector que tiene unas

#andas de energa más #a+as y por lo tanto los electrones tienden a ir

hacia él.

2.". Tipos de Transistores

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Figura 6

2.#. Cur$as caracter!sticas de los transistores

6a !gura ' muestra las curvas caractersticas de un transistor

#ipolar tpico. Estas curvas están ideali7adas, de manera que

sólo se muestran las caractersticas principales.

Figura : !ur"as caracter#sticas en e$isor co$%n de un transistor NPN t#&ico

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2.%. &onas de 'uncionamiento del transistor

6a 7ona en la que está funcionando el transistor depende de la

u#icación del punto de funcionamiento en la curva de salida deltransistor. )eg-n esto tendremos las cuatro 7onas o regiones de

funcionamiento que se aprecian en la !gura %.

Figura '( )egiones de *unciona$iento del transistor

6a primera y qui7á la más importante es la región activa

directa que es la región en la que el diodo emisor0#ase esta

polari7ado en directa, mientras que el #ase0colector esta

polari7ado en inversa. En esta región el transistor funciona

como ampli!cador de corriente.

na segunda región es la de ruptura, en la que la pendiente dela curva de salida se torna mayor. Esta es una 7ona indesea#le

de funcionamiento ya que implica la destrucción del transistor

por efecto 2oule. En algunos casos se usa disipadores de calor

para ale+ar esta región de la región activa y evitar pro#lemas

térmicos.

6a tercera y cuarta región son las regiones de saturación y

corte. Estas dos 7onas suelen tra#a+ar alternadamente en un

circuito, ya que en estas 7onas el transistor funciona como uninterruptor controlado eléctricamente. En la región de

saturación el diodo emisor0#ase está polari7ado directamente,

8



pero el diodo #ase0colector no está polari7ado inversamente,

por lo que no se cumplirán las relaciones de corrientes. Además

en esta 7ona el transistor act-a como cortocircuito 4interruptor

cerrado5 entre emisor y #ase ya que la tensión es desprecia#le.

6a región de corte es la 7ona en la que el diodo emisor0#ase noestá polari7ado directamente y por lo tanto el transistor act-a

como un circuito a#ierto 4interruptor a#ierto5.

2.(. Corrientes de un transistor

a5 3orriente de (ase: Es una corriente muy pequeña del orden

de los microamperios.

#5 3orriente de Emisor: Es una corriente nota#lemente más

grande que la corriente de #ase.c5 3orriente de 3olector: Es una corriente muy parecida a la

corriente de emisor.

Estas corrientes se relacionan mediante la ley de nodos de

?irchho@, ya que la suma de la corriente de #ase con la

corriente de colector 4corrientes que llegan a un nodo5 nos da la

corriente de emisor 4corriente que sale de un nodo5. En forma

analtica esto se puede representar de la siguiente manera:

3 B ( C E

Donde:

IC: corriente de colector.

IB: corriente de #ase.

IE: corriente de emisor

Figura +

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De#ido a que la corriente de #ase es muy pequeña, podemos

considerarla desprecia#le, entonces:

3 E

2.). *ariaciones en la anancia de corrientes de untransistor

6a ganancia de corriente de un transistor se ve in1uencia por

distintos factores como lo son la tolerancia de fa#ricación, la

temperatura y el punto de funcionamiento del transistor. n

mismo transistor puede variar su ganancia de#ido a estos

factores hasta en una relación de 8 a $.

Es necesario tener en cuenta estas variaciones que se puedenproducir, ya que en algunos casos pueden originar un cam#io

signi!cativo en el funcionamiento de los circuitos.

;or e+emplo, si se fa#rican en cantidad transistores FG8%H& los

cuales, dependiendo de la temperatura, en el me+or de los

casos presentan ganancias iguales a 8HH y en el peor de los

casos $HH. I#servaremos que las ganancias de los transistores

se encontrarán entre esos rangos y no en un solo valor

espec!co.

En la !gura $$ se esquemati7a la variación de la ganancia con

la temperatura y la corriente de colector. )e puede o#servar

que la ganancia alcan7a su má"imo valor para una corriente de

colector dada y disminuye conforme la corriente de colector se

ale+a de ella.

Estas variaciones de ganancia han signi!cado un reto para los

diseñadores de circuitos eléctricos y los ha orientado al diseño

de circuitos en los que el punto de funcionamiento se vea muy

poco in1uenciado por la ganancia de corriente.

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Figura 1,

3. Tra+ajo ,r-ctico

Instrumentos y materiales a utilizar

• n osciloscopio

• n proto#oard por grupo

• n generador de señales.

• n multitéster por grupo

• na fuente regula#le de tensión continua por grupo.

• Jesistencias de $H K 4$5, LMH K 4$5, $* 4F5, F.F* 4F5, 8.8* 4F5,

8.%* 4F5, $H* 485 por grupo.

• 3inco condensadores cerámicos de $HH u por grupo.

• Dos transistores G;G por grupo.

• Dos diodos por grupo

Circuito / 01: Amplifcador Multietapa

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Circuito / 02: Amplifcador B/AB

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4. Cuestionario

$. NOué tipo de polari7aciones e"isten para un transistorP

E"plique detalladamente cada una de ellas.

F. nvestigar acerca de la ;olari7ación de ampli!cadores de clase

(QA(. NOué aplicaciones tieneP

8. NOué efecto tiene la temperatura so#re la ganancia de

corrienteP

&. E"plique #revemente la disipación de potencia en el

transistor.

<. N3uál es la fórmula para la disipación de potencia de un

transistorP 3onociendo esta relación, Nen qué lugar de la recta

de carga se espera que la potencia disipada sea má"imaP

L. Jealice un análisis completo del circuito nR H$. 3alcule el

volta+e de salida del circuito. NOué conclusión puede o#tener

del estudio de este circuitoP

'. 3uando se mira un diagrama esquemático que muestra un

transistor NPN y un PNP, Ncómo se puede identi!car cada

tipoP N3ómo se puede identi!car la dirección del 1u+o de

electrones 4o convencional5P

M. 3onstruya una ta#la comparativa donde se muestren los

distintos tipos de polari7aciones de un transistor, sus

caractersticas y los usos que se les da. ;or e+emplo su ta#la

puede tener la siguiente forma:

Tipo de

Polarización

Características Se utiliza en:

". Conclusiones

#. Bi+liora'!a

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• [1] ;rincipios de Electrónica/. )éptima Edición. Autores: Al#ert

>alvino, David 2. (ates.

• [] Apuntes del curso ela#orados por el Dr. ng. 3ésar 3hinguel

Arrese.

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