INTRODUCCIÓN: OBJETIVOS:

Transcripción

1 INTRODUCCIÓN: En esta práctica se observarán las características de funcionamiento de los transistores bipolares, se analizaran sus relaciones corriente voltaje en sus terminales y se determinarán sus regiones de operación. Físicamente ser hará el uso del transistor bipolar como un interruptor electrónico, es decir se observará el comportamiento del transistor en las regiones de corte y saturación. Para ello se utilizará como ejemplo el desarrollo de un circuito variador de velocidad para motores DC utilizando señales de modulación de ancho de pulso PWM. Donde se diseñará eh implementará un circuito oscilador de onda cuadrada de frecuencia fija y de ciclo de dureza variable con el que se introducirá el concepto de modulación por ancho de pulso ó PWM. Se introducirá el uso de los opto acopladores como una manera de independizar eléctricamente dos circuitos y se hará un sencillo shopper usando un transistor Darlington. OBJETIVOS: Identificar las relaciones corriente - voltaje de los transistores bipolares, sus curvas características y sus regiones de operación. Observar experimentalmente el comportamiento del transistor bipolar en las regiones de corte y saturación. Observar el comportamiento experimental de los dispositivos semiconductores ópto electrónicos (Foto Transistor y LED) Introducir los conceptos de modulación de ancho de pulso y variación de velocidad de un motor DC. 1 ANTECEDENTES: 1.1 EL TRANSISTOR BIPOLAR: Un transistor es un dispositivo semiconductor de tres terminales, que dependiendo de la polarización de dos de sus terminales permite controlar la corriente que pasa por el tercer terminal, es decir se puede asociar su funcionamiento análogamente al de una fuente controlada que es concepto fundamental para el diseño de amplificadores. También en modo extremo permite que la corriente del tercer terminal cambie de un valor cero a uno muy grande permitiendo que el dispositivo actúe como interruptor, lo cual es la base fundamental para el diseño de dispositivos lógicos. El transistor bipolar BJT (Bipolar Junction Transistor) consta de dos uniones pn construidas de manera especial y unidas en serie "espalda por espalda" de tal manera que ambas comparten una misma región dopada tipo n o p la cual se denomina la base del transistor. De acuerdo con lo anterior la corriente conducida por el transistor es debida al movimiento de electrones y huecos (Bipolar) y sus modos de operación dependerán de las polarizaciones de cada una de sus junturas.

2 E n Juntura BE p n Juntura BC C Vb c Vb c E p n p C Ve b H u ecos Electrone Ilustración 1. Estructura y Polarización del Transistor BJT. Ve b C I b B La ilustración 1 muestra una estructura general del transistor Bipolar, donde de acuerdo al orden de los materiales dopados en sus junturas se podrán distinguir dos tipos de transistores bipolares: el NPN y el PNP La operación de un transistor de unión BJT se divide en tres zonas o regiones: B B Región de corte: En esta región el transistor está desactivado, pues no hay conducción de corriente. Esto ocasiona que haya una gran caída de potencial entre las terminales C y E que componen el puerto o malla de salida. Región de saturación: En esta región existe conducción de corriente, es una zona con bajo consumo de potencia, pues la caída de voltaje provocada por el dispositivo es muy pequeña. La I magnitud de la corriente C depende exclusivamente del circuito externo. Región lineal: En esta región es donde opera normalmente el transistor pues es donde las aplicaciones de amplificación tiene lugar. En la siguiente ilustración se muestra el comportamiento de la corriente de colector en función del voltaje colector-emisor, y se muestra claramente la relación entre estas 2 variables según la región de operación en la cual se encuentra el transistor. I b B E E C Ic Ie NP N Ie Ic PN P Ilustración 2 Curva Característica transistor Bipolar

3 1.2 Transistores Comerciales: Comercialmente existe una amplia gama de transistores lo cuales comúnmente posen tres terminales y vienen empaquetados en diferentes tipos de encapsulados donde los más comunes son ilustrados en la Ilustración 3, estos, se pueden clasificar de acuerdo al tipo de aplicación que sea destinado lo cual va a depender de los siguientes parámetros: Los rangos de voltaje y de corriente manejados en sus terminales. De lo anterior la potencia máxima que pueden disipar así se clasifican en: o Pequeña señal o baja potencia o Potencia media o Alta potencia. También se pueden clasificar de acuerdo con los rangos de frecuencia. (alta o baja) De acuerdo con lo anterior a, al momento diseñar circuitos con transistores BJT se debe tener en cuenta los parámetros entregados en las hojas de datos (datasheets) de los fabricantes donde camben destacar aquellos resumidos en la Tabla 1: Tabla 1. CARACTERÍSTICAS HOJAS DE DATOS TRANSISTOR BJT PARÁMETRO PARÁMETRO (INGLÉS) SÍMBOLO UNIDADES EJEMPLO 2N2222 Voltaje Colector Emisor máximo. Collector-Emitter Voltage V 40 Voltaje Colector Base Máximo Voltaje Emisor Base Máximo Corriente Máxima de Colector Potencia Maxima Disipada Ganancia de corriente DC Volt Base Emisor de saturación. Volt. Colector Emisor Saturación Collector-Base Voltage Emitter-Base Voltage Collector Current Total Device Dissipation DC Current Gain Base-Emitter Saturation Voltage Collector-Emitter Saturation Voltage V V A Adimen. V V * Este es el valor típico pero éste parámetro varía con las condiciones de polarización y temperatura del dispositivo. ** Este Voltaje es considerado como el voltaje de activación de la juntura base-emisor * 0.6V**

4 TO (Transistor Outline) Agujeros pasantes o Through Hole SOT (Small Outline Transistor) Superficial TO-267 TO-259 TO-257 TO-226 TO-92 TO-18 TO-49 SO T- 23 SOT TO-264 TO-258 TO-254 TO-220 TO-202 TO-52 TO-5 SOT TO-3 TO-66 TO-218 TO-126 TO-72 TO-39 TO-36 Ilustración 3. Encapsulados Transistores BJT SOT-143 SOT- SOT- 1.3 El transistor como Interruptor: Una de los aplicaciones de los dispositivos semiconductores de tres terminales es el uso de ellos como interruptor, es decir permitir o impedir el paso de corriente entre dos terminales usando un tercer terminal. Para un transistor bipolar, la forma como éste se comportará como interruptor dependerá de los voltajes con los que estén polarizadas cada una de sus junturas (Base-Emisor y Base-Colector) que hagan que el transistor entre a operar en la siguientes regiones. Corte (Ambas junturas polarizadas inversamente): En este caso no hay conducción de corriente entre colector y emisor. Saturación (Ambas junturas polarizadas directamente): En este caso hay conducción de corriente entre colector y emisor, pero debido a procesos de recombinación en el transistor y la existencia de región de exclusión en cada una de las junturas, habrá una caída de potencial entre colector y emisor conocida como Voltaje Colector Emisor de Saturación. Dado que ambas junturas deben estar polarizadas directamente, se debe garantizar que el voltaje de polarización directa se supere en cada una de las junturas. La Ilustración 4 muestra la configuración típica con la que se polariza un transistor en modo corte o saturación. Para ello:

5 L2L Ib Ic + Vbe - A MA Ie + MALLA1 Vce(sat) - Ilustración 4. Transistor Bipolar Como Interruptor En corte se debe garantizar que dado que esto hace que la juntura base emisor no esté polarizada directamente. PREINFORME: Para el circuito de la Ilustración 5 y determine los valores de la resistencias: o R3 para ésta tenga en cuenta la corriente máxima del LED del opto acoplador y el valor del voltaje máximo de salida del oscilador de la etapa 1 (aproximadamente 10v). o El voltaje de la fuente V2. Para ello tenga en cuenta el voltaje nominal del motor que va a utilizar ( 6, 9, 12 ó 24 Vdc) y el voltaje colector emisor de saturación del transistor Q o R5 Tenga en cuenta las condiciones de saturación del fototransistor del opto acoplador y la corriente de colector mínima de saturación y el voltaje colector emisor de saturación. o El valor de la resistencia R7 asumiendo el motor como una resistencia de 110 ohmios. o Para los valores de los dispositivos de la etapa 1 encuentre la frecuencia de oscilación y el rango de valores entre los cuales varía el ciclo de dureza de la señal de salida

6 Realice la simulación de las dos primeras etapas del circuito de la Ilustración 5 y determine el rango de valores entre el cual varía el ciclo de dureza de las señales. PROCEDIMIENTO: Dispositivos. Equipos Dispositivo Cantidad X Valor y/o Referencia. Osciloscopio. Circuito Integrado 1x555 2 Fuentes DC variables Diodos 2x1n4148, 1x1n4007 Sondas osciloscopio Opto acoplador 1x4n25 Multímetro Capacitores 2x100nf Sondas multímetro Resistores (0.25W) 1x100K, 1x1K, 1xR5, 1xR3, 1xR7 Tarjeta de montaje o Protoboard. Transistor (Darlington) 1xTIP122 Cables Caimán-Caimán, Banana- Caimán Motor DC Voltaje nominal 3, 6, 9, 12 ó 24 Vdc. 1. Realice el montaje de la primera etapa, varíe el potenciómetro entre sus extremos y encuentre los valores máximo y mínimo del ciclo de dureza de la señal. Cuál es la frecuencia de la señal? Cómo varía el nivel DC de la misma con el ciclo de dureza? Qué sucede con el valor RMS? 2. Realice el montaje de la segunda etapa del circuito utilizando las resistencias R3 y R5 calculadas, encuentre experimentalmente la relación entre la señal suministrada al LED del Opto acoplador y la señal en el emisor del foto transistor del mismo. Existe alguna diferencia entre los tiempos de subida y de caída entre ambas señales, se observa algún retraso? Este retraso limitaría la velocidad máxima de trabajo? Retirando la resistencia R4 del circuito cambia el tiempo de retraso entre las señales? Cómo limitaría éste retraso la velocidad de las señales? Recordando la curva características (Corriente Vs Voltaje) en un diodo, Es práctico usar los dispositivos opto acopladores para señales que requieran linealidad? 3. Para el montaje de la etapa 3: Alimente el motor DC, sin carga y con el voltaje nominal del mismo y mida la corriente estacionaria del motor Observa algún incremento súbito en la corriente cuando arranca el motor? En el transistor Q, a que equivale la corriente medida? Con el voltaje nominal de su motor y el voltaje colector emisor de saturación del transistor Q, determine el valor de la fuente V2. Qué tanto influye esto en la elección del transistor?, qué parámetros del mismo no se pueden violar? Con la información anterior y la señal de salida del emisor del opto acoplador, determine el valor de la resistencia R7 tal que el transistor entre en saturación cuando la señal en la base esté en alto. Realice el montaje de la tercera etapa y observe la señal en el colector del transistor Q. Cómo se relaciona esta señal con la de la base?, qué sucede con la velocidad del

7 PRACTICA 4 - DISPOSITIVOS OPTOELECTRÓNICOS motor al variar el potenciómetro?, cómo se relaciona la velocidad del motor con el ciclo de dureza de la señal en el colector?, Qué pasaría si la frecuencia fundamental de la señal PWM es muy baja?, y si es muy alta?, para qué sirve el diodo D3? Ilustración 5. Variador de velocidad motordc INFORME : Tenga en cuenta los parámetros generales especificados en el formato de informes entregado al principio del curso. En su redacción responda a las preguntas encontradas en el procedimiento, y haga una explicación clara y precisa de las razones de las mismas. Compare los datos obtenidos experimentalmente, con la información analítica y de simulación, compare los datos, calcule los errores relativos e indique las posibles razones de éstos errores. REFERENCIAS [1] H, Muhammad Rashid, Circuitos Microelectrónicos Análisis y diseño, René Garay Argueta, Gloria Leticia Medina Gil, y Castellanos Miguel Angel Toledo, Eds. Mexico, Mexico: Thomson, [2] Robert Boylestad y Nashelsky Louis, Electronic Devices and Circuit Theory, 7th ed. New York,

8 United Estates of America: Prentice Hall, [3] Adel S. Sedra y Kenneth C. Smith, Microelectronic Circuits. USA: Oxford University Press, [4] Fairchild Semiconductor. (2008) TIP120/TIP121/TIP122 NPN Epitaxial Darlington Transistor. [En línea].