Caracterización de Transistores Bipolares

Transcripción

1 Laboratorio de Caracterización de Dispositivos Electrónicos INGENIERÍA DE TELECOMUNICACIÓN Departamento de Electrónica Universidad de Alcalá PRÁCTICA 4 Caracterización de Transistores Bipolares Curso 29-21

2 1. Objetivos En esta práctica se va a abordar la caracterización de transistores bipolares. Para el seguimiento de la misma se recomienda al alumno el estudio de los aspectos teóricos más relevantes, expuestos en la parte teórica de la asignatura, y cuya documentación está disponible en la página web. Los objetivos que se pretenden con la realización de la práctica serán los siguientes: Identificar distintos modelos de transistores bipolares, interpretando el código marcado por el fabricante sobre el cuerpo del componente y ayudándose de los catálogos proporcionados. De los mismos se extraerán las características más relevantes, pudiendo comparar algunas de las mismas con la que se obtienen desde el punto de vista práctico (por ejemplo, F ). Obtención de las características I-V. Para ello previamente se obtendrá la característica I-V mediante simulación (Pspice), después contrastarla con la obtenida con ayuda del trazador de curvas. Medida de los tiempos de conmutación. Al igual que en el caso anterior, se realizará la medida de los mismos mediante simulación, para después comparar con los obtenidos de forma práctica. Montaje de un amplificador de una etapa. Para finalizar esta práctica, se realizará un amplificador de una etapa, según las condiciones de diseño impuestas. Para el desarrollo de esta parte será fundamental disponer de los conocimientos teóricos expuestos en la asignatura en el tema 4. Los dispositivos que se analizarán en esta práctica son los siguientes: BD136, BD137, BC548, 2N222A. Para las simulaciones, únicamente se utilizará el último, que es el que se encuentra disponible en la versión de evaluación de Pspice. Las características de estos dispositivos se encuentran todas disponibles en la página web de la asignatura. Departamento de Electrónica 1

3 2. Identificación 2.1. Tipos En estos dispositivos, los tipos, generalmente, están relacionados con unas determinadas aplicaciones, o bien, por detalles de constitución interna. Son tantas las aplicaciones de los transistores bipolares que se hace prácticamente imposible confeccionar una lista con to das las aplicaciones de estos componentes, si bien se indican las más importantes, obtenidas directamente de la información proporcionada por los fabricantes en los Databook. Atendiendo a esta consideración se ha hecho la siguiente distinción de transistores (entre paréntesis se indican las características más significativas para cada tipo): 2.2. Codificación o de propósito general o para conmutación (t on, t off ) o para amplificación (parámetros del modelo lineal) o osciladores (parámetros del modelo lineal) o de potencia (P MÁX, I CMÁX, V CEMÁX, R TH ) o Darlington (h FE ) A continuación se detallan los sistemas de codificación más utilizados en los transistores bipolares. Antes de pasar a la descripción de los códigos, se hará un breve recordatorio de las características más relevantes de estos componentes. La primera consideración a tener en cuenta es el tipo de transistor de que se trata: NPN o PNP, de forma que cualquier sustitución que se realice ha de ser con un transistor del mismo tipo. También es importante el material semiconductor con el que se fabrica el componente (Germanio o Silicio), mucho más utilizado el último. Las corrientes de fuga en los transistores de germanio son varias veces mayores que en los de silicio; según esto es aconsejable reemplazar un transistor por otro del mismo material base, aunque puede sustituirse, con las precauciones adecuadas, uno de germanio por uno de silicio, no siendo aplicable este criterio en caso contrario. Otro aspecto a tener en cuenta es el encapsulado, así como la identificación de patillas o terminales para su correcta ubicación en un circuito. El transistor es básicamente un dispositivo de baja tensión y es importante comprobar las tensiones máximas permisibles que pueden aplicarse a sus terminales (V CBO, V CEO, V EBO ). El valor límite emisor-base suele ser, generalmente, inferior a 6 V en los transistores de silicio, por lo que debe cuidarse este aspecto, siendo mucho mayor en los de germanio. Siguiendo con las limitaciones del transistor, hay que tener en cuenta la máxima corriente de colector permisible, así como las limitaciones térmicas, ya que la unión se calienta en el interior del transistor sometido a una carga y los fabricantes especifican la máxima temperatura de unión permisible para evitar una excesiva degradación de las características del dispositivo. Valores típicos de estas temperaturas están en la región de 6-1 ºC en germanio y en ºC en silicio. Para la disipación de potencia los fabricantes suelen especificar la potencia máxima de dos formas: Departamento de Electrónica 2

4 o o valor límite en aire libre a 25 ºC para los dispositivos de pequeña potencia valor límite de disipación referida a cápsula a 25 ºC de temperatura de cápsula para los dispositivos de gran potencia montados generalmente sobre algún tipo de disipador de calor. Otra característica del transistor es su (también h FE ). Es importante conocer este valor para poder calcular el circuito de polarización, así como para conocer el funcionamiento como amplificador del dispositivo. Este valor viene especificado para una corriente de colector determinada. Otro dato significativo es la frecuencia f T, a la cual la ganancia de corriente se reduce a la unidad. Para el silicio suele ser de 1 a 1 veces mayor que para el germanio. Finalmente, también es útil conocer posibles sustitutos de un determinado transistor. Las indicaciones de sustitución han de emplearse con precaución porque características especiales no indicadas pueden hacer que el sustituto sugerido sea inaceptable para una determinada aplicación. Los sistemas de codificación más empleados, al igual que los diodos, son: - EUROPEO (PROELECTRON) - AMERICANO (JEDEC) - JAPONÉS (JIS) El sistema europeo queda definido por dos letras mayúsculas seguidas de tres números para transistores utilizados en equipos de consumo y por tres letras y dos números para aplicaciones profesionales. La primera letra del código indica el tipo de material semiconductor empleado en la fabricación (germanio, silicio,...). La segunda indica la construcción y/o principal aplicación. La tercera, seguida de dos números o lo tres números indican asimismo las aplicaciones. En el sistema americano el código queda definido por un 2N que indica que es un dispositivo de dos o más uniones, seguido de un grupo de 4 números y una letra. Este grupo nos es más que el número de registro y la letra una selección del tipo. En el sistema japonés el código queda definido por 2S que indica que es un dispositivo de dos o más uniones, seguido por una letra y tres números. La letra que sigue al grupo 2S puede significar: A: PNP de alta frecuencia B: PNP de baja frecuencia C: NPN de alta frecuencia D: NPN de baja frecuencia Como existen distintas codificaciones puede darse el caso de que transistores con códigos diferentes tengan características similares (transistores equivalentes). Departamento de Electrónica 3

5 Tabla de identificación CÓDIGO BD136 BD137 2N2222 BC548 Tipo-Ge/Si- Fabricante NPN/PNP Cápsula Identificación Terminales V CBO V CEO V EBO I CMÁX P MÁX T JMÁX h FE H FE BIAS (I C ) f T Aplicaciones Recuerde que en la página web se pueden encontrar las características técnicas de estos dispositivos. Departamento de Electrónica 4

6 3. Características I-V de los transistores bipolares A continuación se obtendrán las características I-V de los transistores. En primer lugar se obtendrán mediante simulación, y a continuación haciendo uso del trazador de curvas. Por último se contrastarán los resultados reales con los simulados Características I-V mediante simulación Ya que sólo está disponible el transistor, será el que se utilice en este apartado. La configuración que debe realizarse en Pspice, así como los resultados obtenidos se encuentran a continuación, tanto para la característica de entrada como para la de salida. Característica I-V de entrada Para su obtención se realizará del siguiente montaje. Vdc V1 R2 1k Q1 R1 1 5V V2 Simulación: DC Sweep V1, a 1V, incrementos de.1v 1.mA 5.mA A V 1mV 2mV 3mV 4mV 5mV 6mV 7mV 8mV 9mV IB(Q1) V(Q1:b)- V(Q1:e) Trabajo a realizar por el alumno Se realizarán las simulaciones, obteniéndose las gráficas correspondientes, así como el modelo eléctrico equivalente entre base y emisor, cuando esta unión está en directo. Departamento de Electrónica 5

7 Característica I-V de salida Para su obtención se realizará el mismo montaje que en el caso anterior, pero ahora la resistencia de base tomará el valor de 1k (R2=1k). Simulación DC Sep anidado V1: barrido secundario, a 1V, incrementos de 1V V2: barrido primario, a 1V, incrementos de.1v 2mA 1mA A V 1V 2V 3V 4V 5V 6V 7V 8V 9V 1V IC(Q1) V(Q1:c)- V(Q1:e) Trabajo a realizar por el alumno Se realizarán las simulaciones, obteniéndose las gráficas correspondientes, así como el modelo eléctrico equivalente entre colector y emisor, para funcionamiento en saturación y en activa directa Características I-V mediante el trazador de curvas En esta situación únicamente se puede obtener la característica de salida (es la posibilidad que ofrece el trazador). Se obtendrán las características para los transistores BD136 (PNP) y para el (NPN). Para este último se contrastarán los resultados con los obtenidos mediante simulación. Obténgase también el valor de h FE. BD136 Departamento de Electrónica 6

8 Además, debe obtenerse los circuitos equivalentes entre colector y emisor del transistor BD136 para las regiones activa directa y saturación. 4. Medida de los tiempos de conmutación Para la obtención de los tiempos de conmutación de un determinado dispositivo en un circuito concreto, se debe hacer pasar el punto de trabajo de corte a conducción instantáneamente. Para ello se usará un circuito donde se aplicará una señal cuadrada a la entrada observando la respuesta del componente a estudiar. En el caso de los transistores bipolares se hará la conmutación entre la zona de corte (OFF) y la de saturación (ON). La definición de los tiempos de conmutación se presenta en la siguiente figura. Como se puede observar en la misma, los tiempos están referenciados a la situación de la corriente de colector. La gráfica (a) es la señal aplicada a la entrada del transistor (suficiente para poder pasar de corte a saturación) y la gráfica (b) la evolución de la corriente de colector. En la documentación suministrada en la teoría podrá encontrar más información respecto a estos tiempos. V i V 1 -V 2 T 1 t (a) i C (t) I Csat 1%I Csat t d t r t s t f t (b) t d : tiempo de retardo (delay) t r : tiempo de subida (rise) t s : tiempo de almacenamiento (storage) t f : tiempo de bajada (fall) También se puede considerar sólo dos tiempos: t on =t d +t r (tiempo en pasar de corte a saturación) y t off =t s +t f (tiempo en pasar de saturación a corte). Para poder contrastar resultados reales y simulados, se obtendrán los tiempos de conmutación únicamente del transistor Obtención de los tiempos de conmutación mediante simulación Se realizará el montaje siguiente. Departamento de Electrónica 7

9 R1 V1 = V V2 = 5V TD = 1n TR = 1n TF = 1n PW = 1u PER = 2u V3 R2 1k Q1 1k 5V V2 Simulación: análisis en el tiempo. Los resultados obtenidos se muestran a continuación. 5.5mA SEL>> -1.mA IC(Q1) 5.V 4.V 3.V 2.V 1.V V s 1.us 2.us 3.us 4.us 5.us 6.us V(R2:1) Time Para poder medir con detalle los tiempos será necesario realizar un zoom de la zona de interés, tal como se muestra en la figura siguiente. 5.5mA SEL>> -.9mA IC(Q1) 5.V 4.V 3.V 2.V 1.V V.82us V(R2:1) 1.2us 1.6us 2.us 2.4us Time 2.61us Trabajo a realizar por el alumno Se realizarán las simulaciones, obteniéndose las gráficas correspondientes, de forma que se pueda medir adecuadamente los tiempos indicados anteriormente. Se completará la tabla mostrada a continuación. Departamento de Electrónica 8

10 Tiempos Simulación Ton= Toff= t d t r t s t f 4.2. Obtención de los tiempos de conmutación mediante el osciloscopio En este caso se realizará sobre el mismo montaje que en el apartado de simulación, aplicando a la entrada una señal de idénticas características. Utilizando el osciloscopio se visualizará en un canal la señal aplicada a la entrada y en el otro la respuesta del componente (tensión colector-emisor). Aumentando la frecuencia de la señal de entrada empezará a apreciarse alguna diferencia (retraso) entre la respuesta y la señal de entrada. Según esto, se aumentará la frecuencia de la señal hasta que sean perfectamente distinguibles los tiempos de conmutación. Ajustando la base de tiempos del osciloscopio, para conseguir la mejor visualización posible, se podrán medir los retardos entre entrada y salida del dispositivo (tiempos de conmutación). Obsérvese que en este caso, en el osciloscopio se visualiza la tensión colector-emisor, y no la corriente de colector que es para la que se han definido los tiempos. Antes de proceder a la medida debe evaluarse cuál es la evolución esperada de la tensión colector-emisor según varía la corriente de colector (pasos de corte a saturación). Complétese la tabla siguiente, y contraste los resultados con los obtenidos en simulación. Tiempos Oscilospio Ton= Toff= t d t r t s t f A partir de los tiempos obtenidos, se debe razonar la frecuencia máxima de la señal de entrada, si el ciclo de trabajo es del 5%. 5. Montaje de un amplificador de una etapa Para finalizar esta práctica se propone la realización de un amplificador de una etapa, basado en transistor bipolar. El esquema propuesto es el mostrado en la figura, que como puede observarse corresponde a un circuito autopolarizado. 12 Ve V1 C1 R1 R2 Q1 R3 C2 R4 Vs RL=1k Condiciones de diseño: V cc =12V I CQ =2mA V CEQ =6V V B =1.5V (Tensión de la base) I R1 =ICQ/1 RL=1K C 1 =C 2 =1 uf Transistor Q2N222, F =256 Departamento de Electrónica 9

11 Fases de realización de la práctica a) Cálculos teóricos y simulación 1. Obtención del valor teórico de los elementos resistivos, según las condiciones de diseño indicadas. 2. Realización de la simulación del circuito en continua para contrastar los resultados obtenidos con el punto de trabajo deseado. 3. Modificación razonada de los componentes (a valores comerciales, compruébese las series de resistores), de forma que el punto de trabajo sea similar al esperado, permitiéndose un error del 5%. 4. Obtención de los resultados correspondientes a la simulación con los valores de resistores comerciales. 5. Cálculo de los parámetros para pequeña señal del transistor, a partir del punto de trabajo del apartado anterior. 6. Cálculo de la ganancia de tensión del amplificador, G V =v s /v e, y acotación de la máxima variación de la señal de entrada. 7. Simulación temporal del circuito, para una señal de entrada Ve(t)=1 sen(2 1 4 t) mv. Evalúe la señal de entrada y la de salida, obteniendo la ganancia en tensión. Verifique la ganancia teórica y la simulada. b) Montaje y resultados prácticos 1. A partir de los valores comerciales elegidos, realícese el montaje práctico del circuito. Debe verificarse el punto de trabajo. 2. Aplíquese una señal a la entrada de similares características a la de la simulación. En cuanto a la amplitud, se estará condicionado a la mínima que puede aportar el generador de señal disponible. 3. Verificación del buen funcionamiento del amplificador. Contraste la ganancia obtenida con la calculada teóricamente. c) Aumento de la ganancia del amplificador Para ello se propone colocar un condensador en paralelo con la resistencia de emisor. Repita los apartados anteriores y compruebe en qué afecta esta capacidad. Departamento de Electrónica 1