Experiencia P55: El transistor NPN como un interruptor digital Sensor de voltaje, salida de potencia

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1 Experiencia P55: El transistor NPN como un interruptor digital Sensor de voltaje, salida de potencia Tema DataStudio ScienceWorkshop (Mac) ScienceWorkshop (Win) Semiconductores P55 Digital Switch.DS (Vea al final de la (Vea al final de la experiencia) experiencia) Equipo necesario Cant. del AC/DC Electronics Lab* Qty Sensor voltaje (CI-6503) 1 Diodo emisor de luz (LED), rojo 1 Adaptadores pinza cocodrilo (SE-9756) 2 Resistencia,330 ohm () 1 Cables de conexión (SE-9750) 4 Resistencia, 22 kilohm (k) 1 Fuente de alimentación, 5 V DC (SE-9720) 1 Transistor, 2N Cable, 13 cm 2 (* El AC/DC Electronics Lab es el equipo de PASCO EM-8656) IDEAS PREVIAS Utilizando la biblioteca o Internet, explore lo siguiente: Qué aspecto clave del transistor ayudó a la reactivación de la economía japonesa después de la Segunda guerra mundial? Anote su respuesta en la sección Informe de Laboratorio. El objetivo de esta experiencia es investigar cómo un transistor npn funciona como un interruptor digital. FUNDAMENTO TEÓRICO El transistor es el elemento esencial de cada circuito electrónico, desde el más simple amplificador u oscilador hasta el ordenador digital más elaborado. Los circuitos integrados (CI) los cuales han reemplazado gran parte de los circuitos construidos de transistores individuales, son actualmente un array (conjunto) de transistores y otros componentes construidos de una única fina oblea o " chip" de material semiconductor El transistor es un dispositivo conductor que incluye dos uniones p-n en una configuración sándwich, la cual puede ser o p-n-p o, como en esta experiencia, n-p-n. La tres regiones se llaman usualmente : el emisor, base, y colector.. P PASCO scientific p. 209

2 Transistor n-p-n emisor base colector Colector Emisor n p n Base Base Colector + Vbase Rcarga Emisor Encapsulado transistor + Valimentación Símbolo transistor npn En un circuito de transistor, la intensidad en la base controla al intensidad a través de la "malla" colector. La tensión de colector puede ser considerablemente mayor que la tensión base. Así. La potencia disipada por la resistencia puede ser mucho mayor que la potencia aplicada a la base por la fuente de tensión. El dispositivo funciona como un amplificador de potencia (comparado con un transformador elevador, el cual es un amplificador de tensión pero no un amplificador de potencia) La señal de salida puede tener más potencia en el que la señal de entrada. La potencia extra procede de una fuente de externa (fuente de alimentación) Un circuito de transistor puede amplificar intensidad o tensión. El circuito puede ser una fuente de intensidad constante o una fuente de tensión constante. Un circuito de transistor puede servir como un interruptor eléctrico " digital". En un interruptor eléctrico mecánico, se necesita una pequeña cantidad de potencia para encender un dispositivo eléctrico ( p.e. un motor) que puede suministrar una gran cantidad de potencia. En un circuito " digital 2 de transistor, un pequeña cantidad de potencia aplicada a la base se utiliza para " encender " una mayor cantidad de potencia del colector.. Esta es una información mas general. Un transistor es un dispositivo de tres terminales. En un transistor la tensión en un terminal relativa a tierra se indica por un subíndice. Por ejemplo V C es la tensión de colector. La tensión entre dos terminales se indica por un doble subíndice: V BE es la caída de tensión base-emisor, por ejemplo. Si se repite la misma letra, significa la tensión de alimentación: V CC es la tensión positiva de alimentación asociada con el colector. Un transistor npn típico sigue las siguientes reglas: 1. El colector debe se más positivo que el emisor. 2. Los circuitos base-a-emisor y base-a-colector funcionan como diodos. El diodo baseemisor conduce normalmente si la base es más positiva que el emisor por 0.6 a 0.8 voltios (la tensión umbral típica para un diodo). El diodo base- colector está en polarización inversa. 3. El transistor tiene valores máximos de I C, I B, y V CE y otros límites como disipación de potencia (I C V CE ) y temperatura. 4. Si las reglas 1 3 son seguidas, la ganancia de intensidad ( o amplificación) es la proporción de la intensidad de colector, I C, a la intensidad de base, I B. Una pequeña P PASCO scientific p. 210

3 intensidad circulando hacia la base controla una cantidad mayor de intensidad circulando hacia el colector. La proporción, llamada beta, es típicamente alrededor de 100 RECUERDE Siga todas las instrucciones de seguridad PROCEDIMIENTO Utilice la característica " Salida" del interfaz ScienceWorkshop para suministrar una tensión CA a la base de una transistor npn. Utilice una fuente de alimentación de CC para alimentar al colector del transistor. Utilice un sensor de voltaje para medir la caída de tensión (diferencia de potencial) a través del la resistencia en serie con la fuente de alimentación y el colector del transistor.. Utilice DataStudio o ScienceWorkshop para registrar y mostrar la Tensión de salida a la vase del transistor (Vbase) y la caída de tensión a través de la resistencia en serie con el colector (Vcolector). Encuentre el valor de Vbase (tensión a través de la base ) que hace que el valor de Vcollector aumente desde cero. En otras palabras, determine la tensión a la cual el transistor está "conduciendo". PARTE I: CONFIGURACIÓN DEL ORDENADOR 1. Conecte el interfaz al ordenador, encienda el interfaz y el ordenador. 2. Conecte un sensor de voltaje al Canal analógico A 3. Conecte los cables a los terminales de SALIDA del interfaz 4. Abra el archivo titulado: : DataStudio ScienceWorkshop (Mac) ScienceWorkshop (Win) P55 Digital Switch.DS (Vea al final de la (Vea al final de la experiencia) experiencia) El archivo DataStudio contiene una gráfica y el Workbook. Lea las instrucciones en el Workbook P PASCO scientific p. 211

4 Mire las páginas del final de esta experiencia para obtener información de cómo modificar el archivo de ScienceWorkshop El generador de señales está configurado para dar una salida senoidal de 1.6 voltios a 1 Hz La salida está configurada para arrancar y parar automáticamente cuando se inicia y para la recogida de datos. La recogida de datos está configurada a 200 Hz con la condición de inicio de tensión de salida siendo superior a 0.01 V y condición de parada de tiempo igual a 1 segundo (unas 200 muestras). PARTE II: CALIBRADO DEL SENSOR Y MONTAJE DEL EQUIPO No se necesita calibrar el Sensor de voltaje 1. Inserte el transistor 2N3904 en el zócalo del tablero AC/DC Electronics Lab. El transistor tiene la forma de medio cilindro con una cara plana. El zócalo tiene tres agujeros etiquetados como E (emisor), B (base) y C (colector). Cuando lo sujete de manera el transistor le mire y los terminales estén hacia abajo, el terminal izquierdo es el emisor. El del medio es la base y el de la derecha el colector. 2. Conecte la resistencia de 22 k (rojo, rojo, naranja) verticalmente entre los muelles porta-componentes del borde izquierdo del área de componentes. Canal B 3. Conecte la resistencia de 330 (naranja, naranja, negro) horizontalmente entre los muelles porta-componentes a la izquierda del terminal banana superior. rojo negro Generador señales Zócalo E = Emisor 22 k B = Base +5 V 330 b LED 2N-3904 Transistor NPN como interruptor digital Transistor 2N3904 C = Colector e c rojo Canal A negro P PASCO scientific p. 212

5 4. Con cuidado doble los terminales de diodo emisor de luz rojo (LED) de manera que pueda montarse entre los muelles porta-componentes. Conecte el LED entre los muelles portacomponentes a la izquierda de la resistencia de 330. Sitúe el LED de manera que el cátodo (pata corta) esté a la izquierda (afuera desde la resistencia). 5. Conecte un cable desde el muelle porta-componente del terminal base del transistor al muelle porta-componente en la parte de arriba de la resistencia de 22 k 6. Conecte otro cable desde el muelle porta-componente del terminal del colector del transistor al muelle porta-componente del extremo izquierda del LED. 7. Conecte un cable de conexión desde el terminal positivo (+) de la fuente de alimentación al terminal de entrada superior en el borde del tablero de circuito. 8. Utilice un adaptador de pinza cocodrilo para conectar otro cable desde el terminal negativo (-) de la fuente de alimentación al muelle porta-componente del terminal emisor del transistor 9. Utilice un adaptador de pinza cocodrilo para conectar un cable desde el terminal positivo de la salida del interfaz ( ) al muelle porta-componente debajo de la resistencia de 22 k 10. Conecte cable de conexión con banana negra desde la salida de masa ( ) del interfaz al terminal negativo (-) de la fuente de alimentación. 11. Ponga las pinzas cocodrilo en los cables del sensor de voltaje. Conecte el cable rojo del sensor al muelle porta-componente al lado derecho de la resistencia de 330 y el cable negro a la izquierda de la resistencia. P PASCO scientific p. 213

6 PARTE III: RECOGIDA DE DATOS 1. Encienda la fuente de alimentación de CC y ajuste la salida exactamente +5 Voltios. 2. Inicie la medida de datos. (Pulse Start en DataStudio o GRAB en ScienceWorkshop.) Observe el comportamiento del LED. Escriba una descripción de lo observado. La recogida parará automáticamente a 1 segundo 3. Apague la fuente de alimentación de CC. ANÁLISIS DE DATOS Opcional: Guarde los datos. Si dispone de una impresora, imprima la gráfica. Recuerde, la tensión del canal A es Vcolector y la tensión de salida (del interfaz) es Vbase. 1. Configure la gráfica para ajustar los datos. Sugerencia: En DataStudio, pulse el botón Scale to Fit en la barra de herramienta del gráficas. En ScienceWorkshop, pulse el botón Autoscala ( gráfica. ) para reescalar la 2. Utilice las herramientas de análisis de las gráficas para medir la tensión en la base (Vbase) cuando la tensión en el colector (Vcolector) empieza a aumentar sobre cero. Sugerencia En DataStudio, pulse Smart Tool. Smart Tool es una retícula grande con pares de números ordenados que muestran el valor X y en valor Y en esa posición. Coloque Smart Tool en el punto Vbase ( Tensión de salida ) que corresponde con el primer punto de Vcolector (Tensión, Canal A) que aumenta de cero. P PASCO scientific p. 214

7 Sugerencia: En ScienceWorkshop, pulse el botón de Cursor inteligente.el cursor cambia a una retícula cuando se mueve en la ventana. La coordenada X del cursor/retícula se muestra debajo del eje horizontal. La coordenada Y del cursor/retícula se muestra próximo al eje vertical. Ponga Smart Cursor el cursor en el punto de la gráfica de Vcolector (Canal A) donde la tensión inicie el incremento sobre cero. Mantenga pulsada la tecla Shift. Mintra mantiene pulsada la tecla Shift, mueva el cursor/retícula verticalmente a lo largo de una línea de trazada hasta que alcance el punto de la gráfica de Vbase (Tensión de salida) que corresponde al mismo punto de la gráfica de Vcolector. 3. Anote la coordenada Y del punto de la gráfica Vbase. Tensión = (V) Anote sus resultados en la sección Informe de Laboratorio. P PASCO scientific p. 215

8 Informe de Laboratorio Experiencia P55: El transistor NPN como un interruptor digital IDEAS PREVIAS Utilizando la biblioteca o Internet, explore lo siguiente: Qué aspecto clave del transistor ayudó a la reactivación de la economía japonesa después de la Segunda guerra mundial? Datos Tensión = V CONCLUSIONES Y APLICACIONES 1. Cuál es el componente del LED cuando el circuito está activo? 2. Cómo se compara la forma general de la gráfica de Vbase con la gráfica de Vcolector para el transistor? 3. Cuál es la tensión en la gráfica de Vbase cuando el LED se enciende (esto es, cundo la tensión Vcolector cominca a elevarse sobre cero la tensión de encendido )? 4. Cuál es la relación entre el comportamiento del LED y el punto de la gráfica de Vcollector donde la tensión comienza a subir de cero? P PASCO scientific p. 216

9 APENDICE. MODIFICACIÓN DEL ARCHIVO ScienceWorkshop Modificación del archivo existente de ScienceWorkshop. Abra el archivo ScienceWorkshop : ScienceWorkshop (Mac) P48 Transistor Lab 1 ScienceWorkshop (Win) P48_TRN1.SWS Esta experiencia utiliza la característica " salida" (Output) del interfaz ScienceWorkshop 750 para proporcionar un voltaje de salida Elimine el amplificador de potencia en la ventana de preparación de experiencia. Elimine el icono del amplificador de potencia Em la ventana de preparación, pulse en el icono amplificador de potencia y pulse <supr> (delete) en el teclado. Resultado: Una ventana de " peligro" (warning) se abre. Pulse " Aceptar" para volver a la ventana de preparación. Modifique el generador de señales Ajuste la salida del generador de señales a una " onda seno" de 1.6 voltios a 1 Hz. Compruebe la ventana gráfica La gráfica debería mostrar "Tensión de salida" y A. Si no, utilice el menú de entradas para seleccionar "Tensión de salida para la gráfica superior y A para la gráfica inferior. P PASCO scientific p. 217

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