Lab N4 Circuitos con transistores.pdf
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Facultad de Ingeniería Electrónica General
G u í a d e L a b o r a t o r i o
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Circuitos con Transistores
I.- Introducción
En esta oportunidad estudiaremos un dispositivo electrónico semiconductor
muy usado; su nombre es el “Transistor”. Actualmente se encuentran
prácticamente en todos los aparatos domésticos de uso diario: radios,
televisores, grabadoras, reproductores de audio y video, hornos de
microondas, lavadoras, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas,
relojes de cuarzo, ordenadores, calculadoras, impresoras, lámparas
fluorescentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos, reproductores
mp3, teléfonos celulares, etc.
Tuvieron su origen en la necesidad de amplificar las señales de radio y
televisión que al llegar a una antena no tienen la potencia necesaria para
excitar un parlante o un tubo de televisión. Antes de éste invento, dichas
señales eran amplificadas haciendo uso de las válvulas termoiónica de tres
electrodos. Pero éstas tenían varios inconvenientes, como por ejemplo la
gran potencia que consumían, su corta duración, su gran tamaño y la gran
cantidad de calor que disipaban.
En 1947, los científicos Bardeen, Brattain y Shockley desarrollan en los
laboratorios Bell el primer transistor de estado sólido en y cuatro años más
tarde con la ayuda de Sparks se construyó el primer transistor de unión
bipolar de microvatio. Todo esto ayudó que los transistores sean lo
suficientemente prácticos para la ingeniería de uso común.
En el presente laboratorio se estudiarán algunas de las muchas
aplicaciones que tienen los transistores como por ejemplo: amplificación de
voltaje y de corriente.
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II.- Sumario de Conceptos 1.- Transistor
El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple
funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. Un 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
recibe, el denominado colector, y por último, una tercera parte que opera
como un modulador del paso de los electrones.
Figura 1: Transistor
En este dispositivo, se forman dos uniones “pn”: la unión colector-base y la
unión emisor-base. A continuación veremos que la corriente que fluye por
una unión afecta a la corriente en la otra unión. Es esta interacción la que
hace al transistor BJT muy útil como interruptor o como amplificador.
2.- Transistor BJT
Un transistor de unión bipolar es un dispositivo de tres capas de
semiconductor extrínseco de tipo n y p alternadamente, formando así dos
uniones “np”. Cada capa de semiconductor tiene características particulares
de dopado y dimensiones específicas que le confieren un funcionamiento
peculiar. Tiene tres terminales unidos a cada una de sus capas, siendo la
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base (B) el terminal unido a la capa intermedia y emisor (E) y colector (C)
los terminales unidos a las capas de los extremos.
Figura 2: Estructura interna del BJT
La finalidad de un transistor es controlar un paso de grandes corrientes, con
una corriente pequeña. Es así que sus principales aplicaciones son la
amplificación de corriente, la amplificación de tensión y el control del paso
de corriente.
3.- Dopado en un transistor
Como se ha dicho un transistor BJT tiene tres zonas o capas con diferente
dopado pudiendo las combinaciones ser “npn” o “pnp” como se aprecia en
la figura 3, dependiendo de esa configuración su estructura cambia pero su
funcionamiento es el mismo.
La base es la capa intermedia y presenta un nivel de dopado muy bajo. El
colector es la capa superior en la ilustración 3 y presenta un dopado medio
mientras que la capa inferior es el emisor. En cuanto a la geometría la base
es significativamente más estrecha que las otras dos capas.
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Figura 3: Unión NPN y PNP
4.- Funcionamiento de un transistor BJT
Hasta ahora hemos visto que el transistor bipolar sin polarización se
comporta como una unión de dos diodos rectificadores. No sucede así con
el transistor polarizado que se comporta de una manera muy particular e
inesperada; por lo que enseguida se tratará de entender este
funcionamiento.
4.1.- Flujo de electrones en el transistor polarizado
Vamos a asumir que el transistor trabaja en modo activo directo como
se observa en la configuración que se muestra en la figura 4. Como
sabemos el flujo de electrones tiene sentido opuesto al sentido de la
corriente. Los signos menos representan los electrones libres. El
emisor, que es una zona altamente dopada, es el que se encarga de
inyectar los electrones a la base; la mayoría de estos electrones la
atraviesan y fluyen hacia el colector. Finalmente el colector es el que
recibe los electrones que dejó pasar la base para insertarlos
nuevamente en el circuito.
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Figura 4
Además vemos que cuando los electrones libres se encuentran en la
base, pueden seguir dos caminos:
Pueden recombinarse con los huecos existentes en la base, y
salir de la base hacia el terminal positivo de la fuente “Vbb”
como electrones de valencia, sin embargo como se trata de una
zona pobremente dopada, esta recombinación no será en gran
cantidad por lo tanto el flujo de electrones que ingrese por la
base será pequeño.
El otro camino que pueden seguir es pasar hacia el colector;
este es el camino que seguirá la mayoría de electrones debido a
que la zona de la base es pobremente dopada y además es
muy estrecha, por lo tanto los electrones libres solo requieren
recorrer una distancia muy corta para pasar al colector.
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Una vez que la mayoría de electrones libres ingresan a la zona del
colector, fluyen a través de esta zona y alcanzarán el terminal positivo
de la tensión de alimentación del colector “Vcc”.
4.2.- Bandas de energía
Para hablar de bandas de energía, se necesita indicar si el transistor
esta polarizado o no, ya que dependiendo de eso variarán.
Cuando el transistor no está polarizado, vemos que en las zonas “n”
hay electrones libres en la banda de conducción; mientras que en la
zona “p” hay huecos en la banda de valencia; además al polarizar el
transistor variarán los niveles de energía.
Como se puede ver, cuando el transistor se polariza, los niveles de
energía varían de tal forma que la zona “n” del colector ha bajado y la
zona “n” del emisor ha subido con respecto al caso del circuito no
polarizado.
Figura 5
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Al analizar el transistor polarizado, podemos observar que en promedio
solo el 5% de los electrones se logran recombinar en la base y pasan a
ser electrones de valencia y el 95% restante pasa hacia el colector.
Esto se explica por el hecho de que los electrones al pasar a la base
no encuentran muchos huecos para recombinarse. Más bien,
fácilmente atraviesan la base y llegan al colector que tiene unas
bandas de energía más bajas y por lo tanto los electrones tienden a ir
hacia él.
5.- Analogía Hidráulica
Figura 6
Si no se inyecta agua por B, no se abre la tapa y no hay caudal de C
hacia E.
Poco caudal por el conducto de la base puede producir un gran flujo
de colector a emisor.
Parte del caudal por B se suma al de C para ir por E.
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6.- Tipos de Transistores
Figura 7
7.- Curvas características de los transistores
La figura 8 muestra las curvas características de un transistor bipolar típico.
Estas curvas están idealizadas, de manera que sólo se muestran las
características principales.
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Figura 8: Curvas características en emisor común de un transistor npn típico
8.- Zonas de funcionamiento del transistor
La zona en la que está funcionando el transistor depende de la ubicación
del punto de funcionamiento en la curva de salida del transistor. Según esto
tendremos las cuatro zonas o regiones de funcionamiento que se aprecian
en la figura 9.
Figura 9
La primera y quizá la más importante es la región activa directa que es la
región en la que el diodo emisor-base esta polarizado en directa, mientras
que el base-colector esta polarizado en inversa. En esta región el transistor
funciona como amplificador de corriente.
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Una segunda región es la de ruptura, en la que la pendiente de la curva de
salida se torna mayor. Esta es una zona indeseable de funcionamiento ya
que implica la destrucción del transistor por efecto Joule. En algunos casos
se usa disipadores de calor para alejar esta región de la región activa y
evitar problemas térmicos.
La tercera y cuarta región son las regiones de saturación y corte. Estas dos
zonas suelen trabajar alternadamente en un circuito, ya que en estas zonas
el transistor funciona como un interruptor controlado eléctricamente. En la
región de saturación el diodo emisor-base está polarizado directamente,
pero el diodo base-colector no está polarizado inversamente, por lo que no
se cumplirán las relaciones de corrientes. Además en esta zona el transistor
actúa como cortocircuito (interruptor cerrado) entre emisor y base ya que la
tensión es despreciable.
La región de corte es la zona en la que el diodo emisor-base no está
polarizado directamente y por lo tanto el transistor actúa como un circuito
abierto (interruptor abierto).
9.- Corrientes de un transistor
a) Corriente de Base.- es una corriente muy pequeña del orden de los
micro amperios.
b) Corriente de Emisor.- es una corriente notablemente más grande que la
corriente de base.
c) Corriente de Colector.- es una corriente muy parecida a la corriente de
emisor.
Estas corrientes se relacionan mediante la ley de nodos de Kirchhoff, ya
que la suma de la corriente de base con la corriente de colector (corrientes
que llegan a un nodo) nos da la corriente de emisor (corriente que sale de
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un nodo). En forma analítica esto se puede representar de la siguiente
manera:
IC + IB = IE
Donde:
IC: corriente de colector.
IB: corriente de base.
IE: corriente de emisor
Figura 10
Debido a que la corriente de base es muy pequeña, podemos despreciarla,
entonces la fórmula anterior quedaría como:
IC ≈ IE
10.- Variaciones en la ganancia de corrientes de un transistor
La ganancia de corriente de un transistor se ve influencia por distintos
factores como son la tolerancia de fabricación, la temperatura y el punto
de funcionamiento del transistor. Un mismo transistor puede variar su
ganancia debido a estos factores hasta en una relación de 3 a 1.
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Para un correcto diseño es necesario tener en cuenta estas variaciones
que se pueden producir. Ya que en algunos casos pueden originar un
cambio significativo en el funcionamiento de los circuitos.
Por ejemplo, si se fabrican en cantidad transistores 2N3904 los cuales
presentan, dependiendo de la temperatura, en el mejor de los casos
ganancias iguales a 300 y en el peor de los casos 100; veremos que las
ganancias de cada transistor se encontrarán entre esos rangos y no en un
solo valor específico.
Figura 11
En la figura 11 se esquematiza la variación de la ganancia con la
temperatura y la corriente de colector. Se puede observar que la ganancia
alcanza su máximo valor para una corriente de colector dada y disminuye
conforme la corriente de colector se aleja de ella.
Estas variaciones de ganancia han significado un reto para los
diseñadores de circuitos eléctricos y los ha orientado al diseño de circuitos
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en los que el punto de funcionamiento se vea muy poco influenciado por la
ganancia de corriente.
III.- Trabajo Práctico
Instrumentos y materiales a utilizar
Un osciloscopio
Un protoboard por grupo
Un generador de señales.
Un multitéster por grupo
Una fuente regulable de tensión continua por grupo.
Resistencias de 10 Ω (1), 680 Ω (1), 1k (2), 2.2k (2), 3.3k (2), 3.9k
(2), 10k (3) por grupo.
Cinco condensadores cerámicos de 100 uF por grupo.
Dos transistores NPN por grupo.
Dos diodos por grupo
Circuito Nº 01: Amplificador Multietapa
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Circuito Nº 02: Amplificador B/AB
IV.- Cuestionario
1.- ¿Qué tipo de polarizaciones existen para un transistor? Explique
detalladamente cada una de ellas.
2.- Investigar acerca de la Polarización de amplificadores de clase B/AB. ¿Qué
aplicaciones tiene?
3.- Explique brevemente la disipación de potencia en el transistor.
4.- Realice un análisis completo del circuito nº 01. Calcule el voltaje de salida
del circuito. ¿Qué conclusión puede obtener del estudio de este circuito?
5.- Construya una tabla comparativa donde se muestren los distintos tipos de
polarizaciones de un transistor, sus características y los usos que se les da.
Por ejemplo su tabla puede tener la siguiente forma:
Tipo de Polarización Características Se utiliza en:
V.- Bibliografía
[1] “Principios de Electrónica”. Séptima Edición. Autores: Albert Malvino, David J. Bates.
[2] Apuntes del curso elaborados por el Dr. Ing. César Chinguel Arrese.