Experimento 5: Transistores BJT como interruptores

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1 I Instituto Tecnológico de Costa Rica Escuela de Ingeniería Electrónica Profesores: Dr.-Ing. Pablo Alvarado M., Dipl.-Ing. Eduardo Interiano S. Laboratorio de Elementos Activos I Semestre 2005 Objectivo General Experimento 5: Transistores BJT como interruptores Al finalizar el experimento y su análisis, el estudiante estará en capacidad de explicar el funcionamiento de un transistor funcionando como interruptor en circuitos inversores lógicos y en multivibradores. II Objetivos Específicos 1. Explicar el comportamiento del transistor como interruptor y analizar sus características en las regiones de corte y saturación. III 2. Explicar el funcionamiento de computertas lógicas inversoras realizadas con transistores BJT. 3. Explicar el funcionamiento de circuitos multivibradores monoestables con transistores. 4. Explicar el funcionamiento de circuitos multivibradores astables con transistores BJT. Cuestionario Previo 1. Busque las hojas de datos de los diodos y transistores utilizados en este laboratorio. 2. Investigue el funcionamiento del transistor como interruptor. Qué significa que el transistor trabaje en su región de saturación? Qué es la región de corte? 3. En la región de saturación: Qué valor típico se puede esperar para la caída de tensión U BE entre la base y el emisor del transistor? Qué tensión U CE cae usualmente en este caso entre colector y emisor? 4. En la región de corte: Qué valor típico se puede esperar para la caída de tensión U BE entre la base y el emisor del transistor? Cuál es la magnitud de las corrientes I C de colector e I E de emisor? 5. Investigue qué es una compuerta inversora en lógica digital. 6. Investigue qué significan las siglas RTL, DTL, HTL, I 2 L, TTL, ECL. 7. Analice los circuitos de compuertas inversoras utilizados en este laboratorio (figuras 1, 2 y 3), y simule su comportamiento en el PSpice. Cómo se miden las corrientes solicitadas en el procedimiento utilizando el osciloscopio? Ponga especial atención a la potencia que debe entregar la fuente U CC en cada caso. 1

2 8. En la compuerta inversora TTL en la figura 3, explique el funcionamiento de el transistor Q 3 para la entrada U ent = U CC y U ent = 0 V. 9. Proponga un circuito de conexión del amperímetro para determinar la corriente entregada por U CC al los circuitos de compuertas inversoras utilizados en este laboratorio. 10. Investigue qué son circuitos multivibradores monoestables y astables. 11. Investigue como tiene que ser la entrada de disparo para que el multivibrador monoestable de la figura 4 se active. 12. Analice el circuito de la figura 4 y demuestre que la caída de tensión en la base del transistor Q 2 está dada por la ecuación U B2 = U CC + (U 0 U CC )e t/(r B 2 C) donde U 0 = U BEsat U CC, y U BEsat es la tensión entre base y emisor del diodo en saturación, y t = 0 es el instante de disparo. 13. Demuestre que el ancho del pulso de salida está dado entonces por: ( ) U0 U CC T = R B2 C ln U BEsat U CC 14. Simule el circuito de la figura 4 y grafique la tensión de salida, y la tensión en la base de Q 1 y Q Analice el circuito de la figura 5 y demuestre que la caída de tensión a la salida tiene una frecuencia aproximadamente igual a f = 1 T 1,3 R B1 C 1 + R B2 C 2 (3) donde la señal de salida es aproximadamente U CC durante ( ) UCC U 0 t ON = R B2 C 2 ln U CC U BEsat y es aproximadamente 0 V durante ( ) UCC U 0 t OF F = R B1 C 1 ln U CC U BEsat 16. Simule el circuito de la figura 5 y grafique la tensión de salida, la tensión en la base de T 1 y T 2, y la tensión en los condensadores. 17. Cómo debe modificarse el circuito de la figura 5 para: duplicar la duración de un periodo que en un periodo la señal de salida tenga un ciclo de trabajo del 20 %, manteniendo la frecuencia que en un periodo la señal de salida tenga un ciclo de trabajo del 80%, manteniendo la frecuencia. 2 (1) (2)

3 IV Materiales y Equipo Las cantidades indicadas son los mínimos necesarios para montar los circuitos del laboratorio, uno a la vez. Sin embargo, es recomendable montar todos los circuitos antes de la sesión de laboratorio, para lo que se requerirán los valores indicados entre paréntesis. 1 fuente CC 1 generador de funciones 1 osciloscopio de rayos catódicos (ORC) 1 aislador de tierras (tapón aislador) 1 multímetro digital 1 protoboard alambre aislado 26/24AWG, cables, alicates 4 transistores NTE123, 2N2222 o equivalentes (ó 10 en total) 3 diodos rectificadores de silicio (1N4001 o equivalentes) (ó 5 en total) 1 juego de puentes 1 resistencia de 100 Ω 1 resistencia de 470 Ω 2 resistencias de 1 kω (ó 6 en total) 1 resistencia de 2 kω (ó 3 en total) 2 resistencias de 4,7 kω (ó 3 en total) 2 resistencias de 47 kω (ó 4 en total) 3 condensadores de 0,1 µf (ó 5 en total) hojas para oscilogramas V Procedimiento 1. Es importante antes de comenzar que: Primera Parte mida y anote el valor real de las resistencias empleadas, verifique la condición de los diodos y transistores a emplear, aisle la tierra del osciloscopio (use el enchufe aislador) respecto a la tierra del generador. Confirme con una medición de continuidad usando el multímetro. Para los siguiente puntos del procedimiento utilice siempre como referencia temporal la señal de entrada U ent. 2. Monte el circuito de medición de la figura 1. Use acople de CD en el ORC para tomar las formas de onda y amplitudes. 3. Mida con el amperímetro el valor medio de corriente entregada por la fuente U CC al circuito utilizando frecuencias de la señal de entrada de 100 Hz, 1 khz, 10 khz, 100 khz y 250 khz. Calcule la potencia entregada al circuito por la fuente U CC en cada caso. 3

4 U CC = 5 V 1 kω 470 Ω U ent 5 V pp 2,5 V offset Figura 1: Circuito de Medición 1. Compuerta inversora RTL. 4. Mida con el osciloscopio la tensión de salida, la corriente de colector y la corriente de base del transistor para esta compuerta, utilizando frecuencias de la señal de entrada de 100 Hz y 100 khz. Qué valores de retardo hay entre los flancos de la señal de entrada y los de la señal de salida? 5. Determine a qué frecuencia deja de funcionar el circuito como compuerta inversora. 6. Monte el circuito de medición de la figura 2. U CC = 5 V 4,7 kω 2 kω U ent 5 V pp 4,7 kω 2,5 V offset Figura 2: Circuito de Medición 2. Compuerta inversora DTL. 7. Mida con el amperímetro el valor medio de corriente entregada por la fuente U CC al circuito utilizando frecuencias de la señal de entrada de 100 Hz, 1 khz, 10 khz, 100 khz y 250 khz. Calcule la potencia entregada al circuito por la fuente U CC en cada caso. 4

5 8. Mida con el osciloscopio la tensión de salida y la corriente de colector para esta compuerta, utilizando frecuencias de la señal de entrada de 100 Hz y 100 khz. Qué valores de retardo hay entre los flancos de la señal de entrada y los de la señal de salida? 9. Determine a qué frecuencia deja de funcionar el circuito como compuerta inversora. 10. Monte el circuito de medición de la figura 3. U CC = 5 V 4,7 kω 2 kω 100 Ω Q 1 Q 3 Q 4 U ent 5 V pp 2,5 V offset Q 2 1 kω Figura 3: Circuito de Medición 3. Compuerta inversora TTL. 11. Mida con el amperímetro el valor medio de corriente entregada por la fuente U CC al circuito utilizando frecuencias de la señal de entrada de 100 Hz, 1 khz, 10 khz, 100 khz y 250 khz. Calcule la potencia entregada al circuito por la fuente U CC en cada caso. 12. Mida con el osciloscopio la tensión de salida, la corriente de colector del transistor Q 1 y las tensiones de base en los transistores Q 1, Q 2 y Q 3 para esta compuerta, utilizando frecuencias de la señal de entrada de 100 Hz y 100 khz. Qué valores de retardo hay entre los flancos de la señal de entrada y los de la señal de salida? Segunda Parte 11. Monte el circuito de la figura 4 y utilice el generador de señales para producir los impulsos de disparo. Ajuste magnitud y offset como en los experimentos anteriores, para producir una señal de mínimo 0 V y máximo 5 V. 5

6 12. Mida la tensión de salida utilizando secuencias de pulsos de disparo de frecuencias 100 Hz, 1 khz y 10 khz. 13. Verifique qué ocurre cuando la frecuencia de entrada es mayor que 1/T, donde T es el ancho del pulso ajustado por R B2 y C (ver ecuación (2)). 14. Qué ocurre si el diodo D 1 es reemplazado por un corto-circuito y el diodo D 2 por un circuito abierto? Verifique el funcionamiento a las frecuencias utilizadas en el punto 12. Mida las tensiones en la base del transistor Q 1. U CC = 5 V R C1 C R B2 R B1 R C2 Q 1 Q 2 D 1 D 2 2 kω 0,1 µf Disparo Figura 4: Circuito de Medición 4. Multivibrador Monoestable. R C1 = R C2 = 1 kω, R B1 = R B2 = 47 kω VI 11. Monte el circuito de la figura Mida la tensión de salida, U C1, U C2, U RC1, U RC2, U RB1, U RB Compruebe que sus modificaciones al circuito propuestas en el cuestionario previo en el punto 17 son correctas. Evaluación 1. Realice una tabla comparativa para resumir los datos de potencia obtenidos en la primera parte del procedimiento. Incluya además cuanto es el consumo de potencia para los valores 0 y 1 lógicos por separado. 2. Analice para cada compuerta inversora la dependencia entre la potencia promedio absorbida y la frecuencia de la entrada. 6

7 U CC = 5 V R C1 R B2 R B1 R C2 C 2 C 1 Q 1 Q 2 Figura 5: Circuito de Medición 5. Multivibrador Astable. R C1 = R C2 = 1 kω, R B1 = R B2 = 47 kω 3. Según los resultados de su investigación teórica: se comportan todas las compuertas en cuanto a consumo de potencia de la manera esperada? Analice sus resultados. 4. Investigue a qué se debe el retardo entre el flanco negativo de la entrada y el flanco positivo de la entrada. 5. Para el multivibrador monoestable: qué función desempeñan los diodos en el circuito de disparo? Concluya cómo se comporta la frecuencia de la señal de salida con respecto a la frecuencia del tren de pulsos a la entrada. 6. Cómo puede utilizarse el multivibrador astable para medir la capacitancia de un condensador? 7. Cómo puede modificarse el circuito de la figura 5 para que la carga consista en dos LEDs que alternativamente se enciendan y apaguen con una frecuencia cada uno de 0,5 Hz. PAM/pam, 2 de abril de