Universidad Autónoma de Baja California

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1 Universidad Autónoma de Baja California FACULTA E CIENCIAS QUÍMICAS E INGENIERÍA Ing. en Electrónica Manual de Prácticas Laboratorio de Elaboró: Revisión: Juan Jesús López García Junio 2007 Comentarios y sugerencias: jjesuslg@uabc.mx

2 Universidad Autónoma de Baja California FACULTA E CIENCIAS QUÍMICAS E INGENIERÍA Ing. en Electrónica Laboratorio de Práctica No. 1 CARACTERÍSTICAS EL IOO SEMICONUCTOR Objetivo: eterminar los parámetros que caracterizan al diodo semiconductor. Material: - 1 resistencia de 470Ω - 1 diodo de germanio (rectificador) - 1 diodo de silicio (rectificador) - 1 diodo schottky - 1 diodo tunel - 1 diodo de arseniuro de galio (LE) - 1 diodo zener de 3.3 V (o cercano) - Un multímetro y puntas para multímetro - Una fuente lineal de voltaje y puntas para fuente - Un osciloscopio y dos puntas para osciloscopio - Un generador de funciones y una punta para generador - Tablilla para conexiones (protoboard) - Un par de cables con banana y caimán Introducción La unión semiconductora es el elemento primordial de la electrónica, la estructura física básica es conocida como diodo semiconductor, entender el funcionamiento del mismo permite comprender con mas facilidad la operación del resto de los dispositivos. La ecuación que describe el comportamiento eléctrico de un diodo semiconductor es: donde: V I I o = Voltaje en el diodo = Corriente a través del diodo K = Constante de Boltzman I q V nkt = I o e 1 T = Temperatura en la unión q = Carga eléctrica básica = Corriente de fuga ( inversa) n = Constante de fabricación Práctica 1. Características del iodo Semiconductor 1

3 Si se miden las características eléctricas de un diodo y se ajustan a la ecuación, es posible determinar la resistencia eléctrica, la corriente de fuga, e inclusive, la constante de fabricación del dispositivo. Procedimiento Verificación del ispositivo Usando el óhmetro, compruebe que cada uno de los diodos se encuentra en buenas condiciones identificando ánodo (A) y cátodo (K); reporte las mediciones: iodo Z pol. directa (Ω) Z pol. inversa (Ω) Silicio Germanio Arseniuro de Galio Schottky Zener Tunel Curva Característica Arme el siguiente circuito para cada uno de los diodos; mida voltaje y corriente en el diodo (aplique ley de Ohm para determinar la corriente midiendo el voltaje en la resistencia), llene la tabla para cada caso. 470Ω E I V E (V) V (V) I (ma) Silicio E (V) V (V) I (ma) Germanio E (V) V (V) I (ma) Arseniuro de Galio Práctica 1. Características del iodo Semiconductor 2

4 E (V) V (V) I (ma) Schottky E (V) V (V) I (ma) Zener E (V) V (V) I (ma) Tunel Grafique los datos experimentales colocando en el eje x el voltaje y en el eje y la corriente (V vs I ), de forma que todas las curvas queden en una misma gráfica (cada curva de diferente color); el gráfico mostrará la curva característica de cada diodo. a a Práctica 1. Características del iodo Semiconductor 3

5 Tiempo de Recuperación Inverso Arme el circuito para cada uno de los diodos (excepto tunel y zener) y eleve gradualmente la frecuencia en el generador de funciones hasta observar claramente el tiempo de transición entre conducción y no conducción, reporte el tiempo de recuperación inversa en cada caso. onda cuadrada vt ()= 5 Vp 470Ω t rr iodo Silicio Arseniuro de Galio Germanio Schottky t rr (µseg) Cuestionario 1.- A partir de los datos experimentales, determine el voltaje de umbral (V u ), la constante de fabricación (n), y la corriente de fuga (I o ) de los diodos de silicio, germanio, arseniuro de galio y schottky (véase el análisis mostrado en el apéndice A); se recomienda usar el programa Matlab y la función semilogy que incluye. 2.- Use las curvas características de los diodos de silicio, germanio, arseniuro de galio y schottky para calcular la resistencia estática (R e ), dinámica (r d ), promedio (R prom ) y óhmica (R Ω )de cada diodo en el punto de operación (Q) localizado aproximadamente a dos terceras partes de la región de polarización directa de dicha curva. 3.- Use la curva característica del diodo zener y determine la resistencia dinámica (r dz ) y estática (R ez ) del codo de la región zener. 4.- Use la curva característica del diodo tunel y determine para la zona de impedancia negativa el voltaje pico (V p ), voltaje valle (V v ), corriente pico (I p ), corriente valle (I v ), y la resistencia dinámica (r dt ) y promedio (R promt ) para el punto de operación (Q) que se encuentra exactamente a la mitad de la zona de impedancia negativa. 5.- Enliste las ventajas y desventajas comparativas entre cada uno de los diodos rectificadores de germanio, silicio, schottky y arseniuro de galio. 6.- Qué aparato está diseñado para observar la curva característica de un dispositivo? Investigue en términos generales el funcionamiento del mismo. Conclusiones Práctica 1. Características del iodo Semiconductor 4

6 Universidad Autónoma de Baja California FACULTA E CIENCIAS QUÍMICAS E INGENIERÍA Ing. en Electrónica Laboratorio de Práctica No. 2 APLICACIONES CON IOOS Objetivo: Verificar algunas de las posibles aplicaciones de los diodos. Material: - 4 diodos rectificadores de silicio - 1 resistencia de 10 KΩ - 1 resistencia de 1 KΩ - 4 capacitores de V. - 2 capacitores de V. - Osciloscopio y puntas para osciloscopio - Multímetro y puntas para multímetro - Fuente de voltaje y puntas para fuente - Generador de funciones y puntas para generador - Tablilla para conexiones (protoboard) - Un par de cables con banana y caimán - Adaptador de 3 a 2 hilos (flotador) - Capacitor, diodo zener, resistencia, transformador y puente de diodos de los valores requeridos para el diseño de la fuente regulada del último punto. Introducción Los diodos semiconductores son los dispositivos más comúnmente usados en la industria electrónica; son tan versátiles que sus aplicaciones van desde los sencillos rectificadores en los convertidores de c.a. a c.d. (con los que se construyen los eliminadores de baterías), pasando por los transmisores en los controles remotos infrarojos y los clásicos detectores de envolvente (con los que es posible construir un receptor de A.M.), hasta los indispensables sintonizadores controlados por voltaje y osciladores de alta frecuencia. Procedimiento Rectificador de ½ Onda y de Onda Completa Arme cada uno de los circuitos mostrados, aplique una señal senoidal con las características indicadas y reporte la forma de onda de entrada y salida. Práctica 2. Aplicaciones con iodos 5

7 vt ()= 5 Vp 1 KHz 1ΚΩ vt ()= 5 Vp 1 KHz 1ΚΩ Sujetador de Voltaje Arme el circuito, reporte la forma de onda de entrada y salida. vt ()= 5 Vp 1 KHz 0.1µ Fd Multiplicador de Voltaje Arme el circuito, usando el multímetro mida y reporte el voltaje promedio entre los puntos indicados. Práctica 2. Aplicaciones con iodos 6

8 vt ()= 5 Vp E A C 0.1µ Fd 0.1µ Fd 1 KHz B 0.1µ Fd F 0.1µ Fd Terminales A B C E F Voltaje Recortadores de Voltaje Arme cada uno de los circuitos, reporte la forma de onda de entrada y salida. 1ΚΩ 1ΚΩ vt ()= 5 Vp 1 KHz vt ()= 5 Vp 1 KHz Convertidor de C.A. a C.. de Onda Completa Arme el circuito; reporte la forma de onda de salida sin carga, indique el voltaje pico, promedio y de rizo; aplique la carga, indique de nuevo el voltaje pico, promedio y de rizo; determine el factor de regulación. Práctica 2. Aplicaciones con iodos 7

9 v (t) = 10 Vp 60 Hz 33µ Fd 1ΚΩ V pico V prom V rizo V sin carga V con carga Fuente de Voltaje ual Usando el vóltmetro de c.d. reporte el voltaje entre los puntos A y B manteniendo la terminal negativa del multímetro en la terminal común. Reporte el voltaje total C. v (t) = 10 Vp 60 Hz 33µ Fd A común C 33µ Fd B Voltaje A B C Fuente de Voltaje Regulada con Zener iseñe una fuente regulada de ma como la mostrada de tal forma que el factor de regulación sea menor al %. R s 127 Vca ± 10% C V z R L 60 Hz Práctica 2. Aplicaciones con iodos 8

10 Use el voltmetro de c.d. y compruebe que V L sea constante para diferentes R L incluida la resistencia mínima de diseño ( R V I ) y llene la tabla siguiente. = L min plena carga L R L (Ω) V L (V) I L (ma) 10 K 1 K 2R Lmín = 3/2R Lmín = R Lmín = Use un osciloscopio y observe el voltaje de salida, reporte: forma de onda, voltaje pico, promedio, de rizo y el factor de regulación tanto teóricos como experimentales de la fuente sin carga y a plena carga (manteniendo R Lmin ). Teórico (sc) Experimental (sc) Teórico (pc) Experimental (pc) V pico V prom V rizo F.R. Cuestionario 1.- Indique y describa un ejemplo práctico en el que se utilice comercialmente el circuito: a) rectificador de onda completa b) sujetador de voltaje c) multiplicador de voltaje d) recortador de voltaje 2.- Qué usos tiene un convertidor de C.. a C..? 3.- A qué se le conoce como inversor en sistemas eléctricos de potencia? 4.- ibuje y describa (a bloques) algún circuito para convertir C.. a C.A. 5.- Porqué es necesario flotar el osciloscopio (o el generador de funciones) en los experimentos donde se aplicó el puente de diodos? 6.- Cómo sería posible disminuir el factor de regulación en la fuente del último punto? Conclusiones Práctica 2. Aplicaciones con iodos 9

11 Universidad Autónoma de Baja California FACULTA E CIENCIAS QUÍMICAS E INGENIERÍA Ing. en Electrónica Laboratorio de Práctica No. 3 CARACTERÍSTICAS EL TRANSISTOR E UNIÓN BIPOLAR Objetivo: Conocer los parámetros más importantes del transistor bipolar como base fundamental para el diseño. Material: - 1 resistencia de 100 KΩ - 2 resistencias de 1 KΩ - 1 transistor bipolar 2N2222 (o similar) - Multímetro y puntas para multímetro - Fuente de voltaje y puntas para fuente - Tablilla para conexiones (protoboard) - Un par de cables con banana y caimán Introducción El transistor bipolar ha sido uno de los dispositivos electrónicos más importantes de la industria electrónica; para el diseño de circuitos es necesario primero conocer los parámetros eléctricos que lo caracterizan, éstas características están contenidas en el manual que brinda el fabricante o pueden obtenerse realizando pruebas eléctricas. Procedimiento Verificación del dispositivo Compruebe que el transistor se encuentra en buen estado identificando las terminales (base, emisor y colector) usando el óhmetro, reporte las mediciones entre terminales (polarizando directa e inversamente); verifique los resultados comprobándolos con la configuración indicada en las hojas de especificación del dispositivo. Terminales Z pol. directa (Ω) Z pol. inversa (Ω) Base-Emisor Base-Colector Colector-Emisor Práctica 3. Características del Transistor de Unión Bipolar 10

12 Curva Característica Base-Emisor Arme el circuito; coloque V bb a cero y ajuste V cc hasta tener un voltaje V ce =1 V, mida V be e I b (aplique ley de ohm midiendo el voltaje en la resistencia de base); para cada nuevo valor de V bb reajuste V cc para mantener V ce =1 V y complete la tabla. V bb 100ΚΩ V cc 1 ΚΩ V ce I b V be 1ΚΩ V bb (Volts) V be (Volts) I b (µa) V ce =1 V Ajuste de nuevo V bb a 0 y repita el procedimiento manteniendo V ce =3 V, luego para V ce =5 V y por último para V ce =7 V. V bb (Volts) V be (Volts) I b (µa) V ce =3 V V bb (Volts) V be (Volts) I b (µa) V ce =5 V V bb (Volts) V be (Volts) I b (µa) V ce =7 V Grafique V be vs I b (las 4 curvas en el mismo gráfico). Práctica 3. Características del Transistor de Unión Bipolar 11

13 a a Curva Característica Colector-Emisor Arme el circuito; coloque V cc a +12 Volts y ajuste V bb hasta tener una corriente de base I b =3 µa (aplique ley de Ohm midiendo el voltaje en la resistencia de base); ajuste V cc a cero y complete la tabla. V bb 100ΚΩ I b V cc I c 1 ΚΩ V cc (Volts) V ce (Volts) I c (ma) 3 V ce ΚΩ I b =3 µa Ajuste de nuevo V cc en +12 Volts y repita el procedimiento para I b =7 µa, 8 µa y 12 µa. Práctica 3. Características del Transistor de Unión Bipolar 12

14 V cc (Volts) V ce (Volts) I c (ma) I b =7 µa V cc (Volts) V ce (Volts) I c (ma) I b =8 µa V cc (Volts) V ce (Volts) I c (ma) I b =12 µa Grafique V ce vs I c (las 4 curvas en el mismo gráfico). a a Práctica 3. Características del Transistor de Unión Bipolar 13

15 Cuestionario 1.- Use un gráfico y explique el significado físico de los parámetros indicados así como la situación en la que se utilizan: a) h FE b) h fe c) f T d) f β 2.- A partir de las curvas características obtenidas determine h ie, h re, h fe, h oe, α y β para el punto de operación Q(6 V, 2 ma). 3.- ibuje el modelo híbrido (parámetros h) equivalente para pequeña señal y bajas frecuencias de éste transistor para el punto de operación Q(6 V, 2 ma). 4.- ibuje el modelo incremental (parámetros r) equivalente para pequeña señal y bajas frecuencias de éste transistor para el punto de operación Q(6 V, 2 ma). 5.- Escriba las ecuaciones que determinan los parámetros híbridos de colector común (h ic, h rc, h fc, h oc ) y base común (h ib, h rb, h fb, h ob ) a partir de los de emisor común (h ie, h re, h fe, h oe ). Conclusiones Práctica 3. Características del Transistor de Unión Bipolar 14

16 Universidad Autónoma de Baja California FACULTA E CIENCIAS QUÍMICAS E INGENIERÍA Ing. en Electrónica Laboratorio de Práctica No. 4 APLICACIONES CON TRANSISTOR E UNIÓN BIPOLAR Objetivo: Verificar algunas de las aplicaciones más comunes de los transistores bipolares. Material: - 1 resistencia de 10 KΩ - 1 resistencia de 4.7 KΩ - 1 resistencia de 1 KΩ - 1 resistencia de 100 Ω - 2 transistores bipolares de características conocidas - Multímetro y puntas para multímetro - Fuente lineal de voltaje y puntas para fuente - Osciloscopio y puntas para osciloscopio - Tablilla para conexiones (protoboard) - Un par de cables con banana y caimán - Transformador de 110 a 12 V 1 Amp., puente de diodos, capacitores, diodo zener y resistencias del valor requerido para el diseño de la fuente de corriente, fuente de voltaje y multivibrador astable. Introducción El transistor bipolar de unión fue durante mucho tiempo el dispositivo más importante de la industria electrónica, su gama de aplicaciones es tan amplia que abarca desde la alimentación hasta el tratamiento de señales analógicas y discretas ejecutando funciones de acoplamiento, amplificación y filtrado y esto tanto para pequeña señal como para aquellas que portan gran cantidad de energía; algunas de estas aplicaciones son sumamente sencillas pero aportan una amplia perspectiva de su capacidad. Procedimiento Fuente de Corriente en Espejo Utilice dos transistores idénticos (se recomiendan transistores de iguales características en un solo circuito integrado) y calcule R f para que en R L circule 1 ma. Alimente la fuente usando Vcc= V. Compruebe la corriente variando R L ; llene la tabla. Práctica 4. Aplicaciones con Transistor de Unión Bipolar 15

17 R f V = 15 V CC R L R L (Ω) V ce (V) V e (V) V L (V) I L (ma) K 4.7 K 10 K R Lmáx = T 1 T 2 Regulador de Voltaje en Serie iseñe una fuente regulada de Amper como la mostrada de tal forma que el factor de regulación sea menor al %. R s NPN 127 Vca ± 10% 60 Hz C V z R L Use el vóltmetro de c.d. y compruebe que V L sea constante para diferentes R L incluida la resistencia mínima de diseño ( R V I ) y llene la tabla siguiente. = L min plena carga L R L (Ω) V L (V) I L (ma) 10 K 1 K 2R Lmín = 3/2R Lmín = R Lmín = Use un osciloscopio y observe el voltaje de salida, reporte: forma de onda, voltaje pico, promedio, de rizo y el factor de regulación tanto teóricos como experimentales de la fuente sin carga y a plena carga (manteniendo R Lmin ). Teórico (sc) Experimental (sc) Teórico (pc) Experimental (pc) V pico V prom V rizo F.R. Práctica 4. Aplicaciones con Transistor de Unión Bipolar 16

18 Multivibrador Astable (Generador de Reloj) iseñe un oscilador como el mostrado en la figura para generar una onda cuadrada con niveles de voltaje TTL, frecuencia de oscilación de KHz y ciclo útil de %. V CC R C2 R B1 R B2 R C1 C 1 C 2 V O Q2 Q1 Grafique la forma de onda de salida en ambos colectores. Reporte el tiempo en el nivel alto, en el nivel bajo, ciclo útil, período y frecuencia de la oscilación tanto teóricas como experimentales. Teórica Experimental T ON T OFF T osc f osc Ciclo útil Cuestionario 1.- Qué ventajas presenta la fuente de voltaje regulada con diodo zener y transistor con respecto a la fuente de la práctica #2?. 2.- Investigue, dibuje y explique el funcionamiento del circuito regulador de voltaje paralelo (con zener y transistor) indique las ventajas y desventajas con respecto al regulador de voltaje serie. 3.- ibuje y explique un circuito para lograr que el regulador de voltaje serie del segundo punto sea variable (sin perder la regulación de voltaje) y posea limitador de corriente a la carga. 4.- Qué se conoce como Multivibrador Monoestable, que usos posee? Investigue y dibuje un posible circuito con transistores. 5.- Qué se conoce como Multivibrador Biestable, que usos posee? Investigue y dibuje un posible circuito con transistores. Conclusiones Práctica 4. Aplicaciones con Transistor de Unión Bipolar 17

19 Universidad Autónoma de Baja California FACULTA E CIENCIAS QUÍMICAS E INGENIERÍA Ing. en Electrónica Laboratorio de Práctica No. 5 CARACTERÍSTICAS EL TRANSISTOR E EFECTO E CAMPO Objetivo: Conocer los parámetros más importantes de un transistor FET de unión como base para el diseño. Material: - 2 resistencias de 10 KΩ - 1 resistencia de 1 KΩ - 1 transistor JFET de características conocidas - Multímetro y puntas para multímetro - Fuente lineal de voltaje y puntas para fuente - Tablilla para conexiones (protoboard) - Un par de cables con banana y caimán Introducción Los transistores del tipo FET se han convertido en la herramienta más dúctil en el diseño tanto de circuitos analógicos como digitales debido a sus notables características eléctricas que le permiten un bajo consumo de potencia y altos niveles de integración. Procedimiento Verificación del dispositivo Compruebe que el transistor se encuentra en buen estado identificando las terminales (compuerta, fuente y drenaje) usando el óhmetro, y reporte las mediciones entre terminales (polarizando directa e inversamente); verifique los resultados comprobándolos con la configuración indicada en las hojas de especificación del dispositivo. Terminales Z pol. directa (Ω) Z pol. inversa (Ω) Compuerta-Fuente Compuerta-renaje renaje-fuente Práctica 5. Características del Transistor de Efecto de Campo 18

20 Curva Característica Arme el circuito; coloque V en +10 Volts, varíe V GG para tener el voltaje compuerta-fuente V GS =0; lleve a cero V y llene la tabla. V GG 10 ΚΩ 10 ΚΩ G I V GS V 1ΚΩ V S S V (V) V S (V) I (ma) V GS =0 V Repita el procedimiento usando V GS = 0.5, 1 y 1.5 Volts. Grafique V S vs I (las 4 curvas en el mismo gráfico). V (V) V S (V) I (ma) V GS =-0.5 V V (V) V S (V) I (ma) V GS =-1.0 V V (V) V S (V) I (ma) V GS =-1.5 V a a Práctica 5. Características del Transistor de Efecto de Campo 19

21 Curva de Transferencia Empleando el mismo circuito, coloque V en +10 Volts y varíe V GG hasta lograr el voltaje compuertafuente indicado, llene la tabla y obtenga la curva de transferencia graficando V GS vs I. V GS (Volts) I (ma) a a Cuestionario 1.- A partir de las curvas características obtenidas determine I SS, V po, g m y r ds (utilice alguno de los métodos indicados en el apéndice B). 2.- ibuje el modelo híbrido equivalente del transistor empleado para pequeña señal y bajas frecuencias en el punto de operación I =½I SS. 3.- Escriba las ecuaciones para determinar los parámetros híbridos de drenaje y compuerta común a partir de los de fuente común. 4.- Indique la razón por la que el nombre IGFET es mas indicado que el nombre MOSFET. 5.- Realice una tabla comparativa indicando los símbolos y características de los transistores: a) JFET CH-N c) MESFET CH-N b) JFET CH-P d) MESFET CH-P Práctica 5. Características del Transistor de Efecto de Campo 20

22 e) MOSFET CH-N de Acrecentamiento f) MOSFET CH-N de Empobrecimiento g) MOSFET CH-P de Acrecentamiento h) MOSFET CH-P de Empobrecimiento i) CMOSFET 6.- Investigue las características y dibuje un corte transversal (estructura primitiva) de los transistores: a) V-MOSFET b) H-MOSFET 7.- Investigue los símbolos, características, ventajas y desventajas (respecto a los BJT y FET) de los transistores IGBT, dibuje la estructura primitiva del mismo. Conclusiones Práctica 5. Características del Transistor de Efecto de Campo 21

23 Universidad Autónoma de Baja California FACULTA E CIENCIAS QUÍMICAS E INGENIERÍA Ing. en Electrónica Laboratorio de Práctica No. 6 APLICACIONES CON TRANSISTOR E EFECTO E CAMPO Objetivo: Verificar algunas de las aplicaciones típicas de los transistores FET. Material: - resistencias del valor requerido - condensadores del valor requerido - motor de cd - diodo rectificador de las características requeridas - transistores de unión bipolar o CI digitales de características conocidas - transistores de efecto de campo de características conocidas - Multímetro y puntas para multímetro - Fuente lineal de voltaje y puntas para fuente - Osciloscopio y puntas para osciloscopio - Tablilla para conexiones (protoboard) - Un par de cables con banana y caimán Introducción El transistor de efecto de campo posee aplicaciones tan versátiles como las del BJT pero debido a tres notables características (el bajo consumo de energía para operar, el reducido espacio que ocupa su fabricación y lograr mayor grado de integración y la posibilidad de permitir el paso de corriente en ambos sentidos), es actualmente el dispositivo más importante de la industria electrónica. Procedimiento Control de velocidad de un motor de cd (generador de PWM) iseñe un circuito temporizador con ciclo útil variable para ajustar la velocidad a un motor de c.d. (modulador de ancho de pulso ó PWM). La frecuencia de oscilación debe ser f 0 = Hz, el ciclo útil ajustable desde 20 hasta 80 % (cuando menos); la salida del oscilador debe encender y apagar un transistor IGFET conectado al motor de cd. Alimente todo el circuito con una fuente fija de V = Volts. Práctica 6. Aplicaciones con Transistor de Efecto de Campo 22

24 Ajuste el ciclo útil a 50% y haciendo uso del osciloscopio, verifique y reporte la forma de onda, amplitud y frecuencia de oscilación a la salida del circuito temporizador y de la terminal de drenaje del transistor (coloque ambas en la misma pantalla separándolas mediante las perillas del vertical). Vcc Sistema igital (PWM ) Repita el procedimiento ajustando ahora el ciclo útil al mínimo y al máximo posible y reporte las formas de onda para cada caso. Ajuste el ciclo útil al máximo posible y aprecie la velocidad del motor; ajuste ahora el ciclo hasta lograr una velocidad aproximada a ¼ de la máxima posible, use el osciloscopio y mida la frecuencia y ciclo útil de la señal en la terminal de drenaje del transistor, reporte los resultados indicados en la tabla. Ajuste el ciclo hasta apreciar una velocidad aproximada a ¾ de la máxima posible, observe la señal en el osciloscopio y llene la parte correspondiente de la tabla. Velocidad V max V min f 0 Ciclo útil (%) 1 4 de la máx. 3 4 de la máx. Práctica 6. Aplicaciones con Transistor de Efecto de Campo 23

25 OBSERVE: Mantenga alimentado el circuito, conecte la terminal de compuerta a tierra y observe el motor, desconéctela, manténgala así y observe el fenómeno entre el transistor y el motor (pregunta número 4 del cuestionario). Interruptor bilateral (generación de PAM) Arme el circuito mostrado, ajuste el generador de funciones para tener una forma de onda senoidal de 1 Vp a una frecuencia de 1 KHz. Multiplicador analógico (modulador de AM) iseñe un multiplicador de analógico usando un FET de doble puerta como amplificador lineal. Grafique las formas de onda de entrada y de salida en la carga. Práctica 6. Aplicaciones con Transistor de Efecto de Campo 24

26 Cuestionario 1.- Qué ventajas presentan los transistores de unión bipolar sobre los de efecto de campo? 2.- Qué ventajas presentan los transistores de efecto de campo sobre los de unión bipolar? 3.- Indique tres formas comúnmente usadas para evitar el daño por descarga electrostática en un MOSFET? 4.- Si los FET requieren únicamente voltaje en la compuerta para controlar la corriente en el drenaje, explique la razón para colocar una resistencia entre compuerta y tierra. 5.- Explique detalladamente la razón para colocar un diodo rectificador en contrasentido al flujo de corriente entre drenaje y fuente del transistor en el circuito con motor. Conclusiones Práctica 6. Aplicaciones con Transistor de Efecto de Campo 25

27 Universidad Autónoma de Baja California FACULTA E CIENCIAS QUÍMICAS E INGENIERÍA Ing. en Electrónica Laboratorio de Práctica No. 7 AMPLIFICAOR E PEQUEÑA SEÑAL Objetivo: iseñar y caracterizar un amplificador para señal pequeña. Material: - 1 resistencia de 4.7 KΩ - 5 resistencias del valor requerido - 3 capacitores del valor requerido - 1 transistor bipolar de características conocidas - Multímetro y puntas para multímetro - Fuente lineal de voltaje y puntas para fuente - Generador de funciones y puntas para generador - Osciloscopio y puntas para osciloscopio - Tablilla para conexiones (protoboard) - Un par de cables con banana y caimán Introducción El transistor bipolar configurado como emisor-común es el tipo de amplificador más comúnmente empleado debido a sus favorables características de ganancia en voltaje (Av), impedancia de entrada (Ze) y salida (Zs) y un ancho de banda (AB) ajustables dentro de un amplio rango de operación. Procedimiento Especificaciones iseñe un amplificador emisor-común estable a variaciones de temperatura y máxima excursión simétrica que posea una ganancia en voltaje Av= e impedancia de entrada mayor o igual a Ze KΩ para alimentar una carga R L = 4.7 KΩ con una frecuencia de corte inferior de fci= Hz. Alimente el amplificador usando Vcc= V. Práctica 7. Amplificador de Pequeña Señal 26

28 V cc R g R bs R c C 1 C 2 R L = 47. ΚΩ V g R bi R e1 Generador de Funciones R e2 C e Circuito de Polarización Verifique usando el voltímetro de C.. que el circuito de polarización se encuentre en el punto de operación establecido en el diseño (V CEQ e I CQ ) y corrija si fuera necesario. Teórico Experimental V E V B I CQ V CEQ Amplificación Aplique una señal senoidal de 20mV pp a una frecuencia intermedia (se recomienda tres octavas arriba de la de corte inferior); verifique que la amplificación (A V ) sea la correcta midiendo el voltaje en la resistencia de carga. Reporte la máxima ganancia (A Vmax ) de su amplificador colocando Ce en paralelo a Re 1 + Re 2. v g v L A V A Vmax Teórico f = KHz Frecuencias de corte inferior (fci), superior (fcs) y ancho de Banda (AB ) Ajuste la frecuencia en el generador por debajo de la frecuencia de corte inferior del diseño (se recomienda una octava menos), mida los voltajes de entrada y salida y determine la ganancia del amplificador; repita el procedimiento elevando la frecuencia una octava ó década, de tal forma que se tomen más lecturas alrededor de las frecuencias de corte inferior y superior y llene la parte correspondiente de la tabla. Frecuencia (Hz) Voltaje de Entrada (V g ) Voltaje de Salida (V L ) Ganancia en Voltaje (A v ) Impedancia de Entrada (Z e ) Ω Impedancia de Salida (Z s ) Ω Práctica 7. Amplificador de Pequeña Señal 27

29 Grafique en papel semilogarítmico f vs A V. 100 a 1 1 a Impedancia de Entrada Coloque una resistencia (Rs) de magnitud similar a la Ze teórica, entre el generador y la entrada al amplificador, se formará un divisor de voltaje entre Rs y Ze. R g R S Z s v g v e Z e A V v e R L Generador Amplificador Mida los voltajes antes (v g ) y después (v e ) de la resistencia Rs y despeje Ze de la ecuación del divisor de voltaje y determine la impedancia de entrada real del amplificador en función de la frecuencia para llenar la parte correspondiente de la tabla. Impedancia de Salida Mida el voltaje de salida del amplificador sin la carga (R L ), con esto se está midiendo la fuente de voltaje dependiente de voltaje ( A v ); a continuación mida de nuevo con ella, tal como lo muestra la figura. V e Práctica 7. Amplificador de Pequeña Señal 28

30 R g Z s Z e A V v e R L Generador Amplificador Se forma un divisor de voltaje entre Z s y R L, despejando Z s de la ecuación resultante se obtiene la impedancia de salida del amplificador en función de la frecuencia. Llene la parte correspondiente de la tabla. Cuestionario 1.- A partir del gráfico de respuesta a frecuencia, determine la frecuencia de corte inferior, superior, central y ancho de banda del amplificador. 2.- La frecuencia de corte inferior depende de los condensadores de acoplamiento, explique. 3.- La frecuencia de corte superior depende de las capacitancias de las uniones del transistor, calcule la frecuencia de corte superior (teórica) y compárela con la experimental. 4.- Cómo sería posible disminuir la frecuencia de corte superior del amplificador? 5.- Cómo sería posible incrementar la frecuencia de corte superior del amplificador? 6.- Qué ventajas presenta la configuración E-C respecto a la B-C y C-C? Conclusiones Práctica 7. Amplificador de Pequeña Señal 29

31 Apéndice A OBTENCIÓN E PARÁMETROS E IOOS Un método alternativo para determinar algunos de los parámetros del diodo semiconductor usando los resultados experimentales es el siguiente: sea la ecuación característica del diodo q V nkt I = I o e 1 donde, si V > 0 entonces la exponencial crece rápidamente y el término e >> 1 por lo que una buena aproximación es q V nkt I I o e, aplicando logaritmos en ambos lados de la ecuación se obtiene q In( I ) = V + In( I o ) y = mx + b nkt que es la ecuación de una línea recta si V es la variable independiente ( x ), In( I ) la variable dependiente q ( y ), nkt V vs I en escala lineal obtendremos el primer gráfico, pero si lo hacemos en escala semilogarítmica se obtendrá el segundo gráfico. la pendiente de la recta ( m ) y In( I o ) es el cruce con el eje y. Por lo que si graficamos q nkt V ma Amp r d V = I V I I V q = nkt I I o V V u V V el primer gráfico se determinan r d, R e, R prom y V u mientras que del segundo se obtiene la corriente de fuga ( I o ) y la constante de fabricación ( n ), para esto, se obtiene la pendiente del gráfico, se asignan valores a q, K y T y se despeja n de la ecuación. Apéndice A. Obtención de Parámetros de iodos 30

32 Apéndice B OBTENCIÓN E PARÁMETROS E JFET La ecuación que describe el comportamiento de un transistor JFET es: V GS I = I SS 1 V po de la cual se observa que los parámetros que caracterizan al transistor son: a) I SS.- Corriente máxima que puede atravesar el canal. b) V po.- Voltaje de oclusión ó voltaje entre compuerta y fuente que cierra completamente el canal. c) n.- Factor de fabricación, que aunque la ecuación que describe el comportamiento es cuadrática (n=2), esto es un caso ideal, en la realidad n puede ser un valor comprendido entre 1.9 y 2.5 (típicamente). Algunos métodos para determinar experimentalmente alguno o algunos de los parámetros se presentan a continuación. 1º. Método del fabricante. Es un método práctico para obtener el voltaje de oclusión, considera que el canal se encuentra completamente cerrado cuando al elevar el voltaje compuerta-fuente, la corriente de drenaje cae a tan solo 10 µa, esto es: V po = VGS I =10µ A Para obtener el parámetro experimentalmente, se incrementa lentamente V GS hasta que la corriente de drenaje cae a 10 µa, en ese punto se considera que el voltaje V GS aplicado es el voltaje de oclusión. n 2º. Método de Richman. Sea la ecuación característica ideal del JFET: 2 V GS I = I SS 1 V po manipulando algebraicamente la ecuación y despejando se obtiene: I y = = I V m SS po V GS x + + I b SS Nótese que la ecuación es la de una línea recta; si graficamos V vs I se obtiene la curva característica convencional de un JFET pero si graficamos V GS vs I se obtiene una línea recta en la que la pendiente y los cruces con los ejes determinan los parámetros del JFET, esto se muestra en las siguientes gráficas: GS Apéndice B. Obtención de Parámetros de JFET 31

33 I I I SS I SS V po VGS V po V GS Aunque en ambos gráficos se determinan V po e I SS, el segundo gráfico es mas preciso ya que los cruces con los ejes se obtienen extrapolando una línea recta. 3º. Método de Sevin. Método para determinar el voltaje de oclusión, considera la ecuación característica del JFET ideal: I V 1 V = GS I SS po 2 y en el caso particular de que I sea un 10% de I SS ( I = 0. 1 I ) entonces: SS V 1 V GS po 2 = 0.1 Lo cual se cumple si V po = V. GS En éste método se requiere conocer previamente I SS ; experimentalmente se incrementa lentamente V GS hasta que I se reduzca a 1/10 de I SS, en ese punto se considera que V po es 1.46 veces el voltaje V GS aplicado, esto es; V po =1.462V GS. 4º. Método de Middlebrook. Este método asume que la ecuación característica no es necesariamente cuadrática por lo que el factor n es un parámetro desconocido al igual que I SS y V PO, esto es: I V = I SS 1 V GS po n erivando parcialmente I con respecto a V GS se obtiene el parámetro conocido como transconductancia mutua (g m ): Apéndice B. Obtención de Parámetros de JFET 32

34 Y manipulando algebraicamente: g m I = V GS I = n V I = n V I g SS PO PO = V n 1 m V 1 V V 1 V GS GS GS PO PO V n y = m x + b PO n 1 1 Esta es la ecuación de una línea recta, graficando se obtiene lo siguiente: I g m V po n 1 n V po V GS Nótese que se hace necesario medir varios parámetros, I, V GS y g m por lo que de manera práctica, requiere un experimento mas elaborado, uno posible se indica a continuación: Apéndice B. Obtención de Parámetros de JFET 33