PRÁCTICAS DE ELECTRÓNICA II.

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1 PRÁCTICAS DE ELECTRÓNICA II. 5 o FÍSICA Juan Antonio Jiménez Tejada Índice 1. POLARIZACIÓN DEL TRANSISTOR BIPOLAR TRANSISTOR EN CONMUTACIÓN. FAMILIA LÓGICA TTL AMPLIFICADOR MONOETAPA CON TRANSISTOR BIPOLAR FILTRO ACTIVO PASO BANDA. 9 A. FACTOR DE INESTABILIDAD. 11 B. CONMUTACIÓN DEL TRANSISTOR BIPOLAR. 12 C. MATERIAL DISPONIBLE PARA PRÁCTICAS. 13 i

2 1. POLARIZACIÓN DEL TRANSISTOR BIPOLAR. OBJETIVO Polarizar un transistor bipolar. 12V R1 RC R2 RE Figura 1: Transistor: BC107B, BC547B o similar. FUNDAMENTO TEÓRICO Se trabajará con el circuito autopolarizado. El primer paso es el diseño del circuito, es decir, encontrar los valores de las resistencias para que el transistor trabaje en un punto de operación determinado, definido por I C y V CE. Para calcular los valores de R C y R E acudiremos a la relación: suponiendo despreciable la intensidad I B frente a I C. V cc = V CE I C (R E R C ), (1) REALIZACIÓN PRÁCTICA IMPORTANTE: ES OBLIGATORIO LA PRESEN TACIÓN DE LOS RESULTADOS TEÓRICOS PARA PODER REALIZAR LA SESIÓN DE LABORATORIO En esta práctica vamos a suponer V CE =5V y I C =5mA, yvamos a montar el circuito anterior para los dos casos siguientes: 1. R E =0. Para obtener R 1 y R 2 se razona de la siguiente forma: Para que estas dos resistencias constituyan un buen partidor es necesario que I p I B. Supongamos I p =10I B =10I C /β V cc = I p R 1 V BE (2) V BE = R 2 (I p I B ) (3) Como no dispondréis de los valores exactos de las resistencias elegir las más aproximadas o combinarlas para acercarse a dichos valores (Ver el apéndice C). Con los valores reales calcular teóricamente V CE e I C. Qué ocurriría si no se satisface la condición I p I B ytenéis que cambiar de transistor, o envejece el que tenéis, variando sus parámetros? 1

3 12V R1 RC Ip IB R2 Figura 2: Polarización del transistor con R E =0. En el laboratorio: Comprobar que se consigue ese punto de operación. Acercar un objeto caliente al transistor y medir de nuevo I C y V CE.?Quéocurre?. 2. R E = R C /3. Para el diseño del circuito debo tener en cuenta un factor de inestabilidad que nos da idea de lo inestable que es el circuito frente a variaciones de la temperatura (Ver el apéndice A). Este factor se define como: S = ( R B R E 1)(1 β) 1β R B R E (4) El circuito será más inestable cuanto mayor sea el valor de S. El caso límite de mayor estabilidad es cuando R E = correspondiendo a un valor de S = 1. Interesa un cociente R B /R E pequeño. Suponer en este circuito un valor de S = 11. Calcular de nuevo todos los valores de las resistencias, elegir las más próximas, recalcular V CE e I C y repetir el mismo proceso de medida que en el apartado anterior. Las ecuaciones que describen este circuito se obtienen hallando el equivalente Thevenin del partidor de tensión de la figura 1 y analizando el circuito resultante (Fig. 3. Cuál de los dos casos es más estable?, por qué?. 2

4 12V RC RB VB RE Figura 3: Aplicación del equivalente Thevenin al divisor de tensión de la figura TRANSISTOR EN CONMUTACIÓN. FAMILIA LÓGICA TTL. OBJETIVO Introducir los conceptos básicos de un sistema digital a través de la conmutación de un transistor bipolar: estados lógicos, márgenes de ruido, retrasos de propagación. FUNDAMENTO TEÓRICO En aplicaciones digitales los circuitos de polarización de los transistores se diseñan para que los transistores operen entre corte y saturación. Estas regiones se caracterizan por proporcionar un estado perfectamente estable: en saturación el transistor se comporta como si se tratara de un cortocircuito (V CE =0.2V )y en corte el transistor se comporta como un circuito abierto (I C = 0). Este es el caso del circuito de la figura 4, que se conoce como la celda elemental de la familia lógica TTL. Para analizar su respuesta vamos a someterlo a dos valores de tensión característicos de esta familia de circuitos lógicos0y5v. 5V 2k 5k Vi T1 T2 Vo Figura 4: Celda elemental de la familia lógica TTL. Usar como transistores BC107B, BC547B o similares. Si V i =0V T1 se encuentra en conducción, extrae carga de la base del transistor T2 poniéndolo en corte con lo que la salida es de Vo=5V. Si V i =5V T1 opera en activa inversa inyectando corriente al transistor T2 poniéndolo en saturación (se eligen las resistencias del circuito de manera que se cumpla esta condición). 3

5 REALIZACIÓN PRÁCTICA 1. Deducir teóricamente qué tensión se tiene a la salida si la entrada se encuentra en circuito abierto. Comprobar que se trata de un inversor, medir la salida del circuito para valores de la tensión de entrada de 0 V, 5 V y en abierto. 2. Medir la corriente que suministra la fuente de alimentación al circuito en cada caso y determinar la potencia media consumida por la puerta (medida de corriente medida de tensión en resistencias conocidas). Calcularlo también teóricamente. 3. Obtener teóricamente la característica de transferencia V O V i. Medirla también experimentalmente. En el laboratorio utilizar una función senoidal como entrada y encontrar las dos tensiones siguientes: V ilmax :Tensión de entrada por debajo de la cual la salida está enestadoalto (5V). V ihmin :Tensión de entrada por encima de la cual la salida está enestadobajo (0V). Para ello buscar los puntos de la característica de transferencia con pendiente unidad. 4. Aplicando pulsos entre 0 y 5 V estudiar la respuesta transitoria de este circuito. Observar como se deforman los pulsos y cuantificar esta deformación midiendo los tiempos de retardo (t plh y t phl ) producidos en cada escalón de tensión de acuerdo con la figura 5. El retraso en la conmutación de la salida respecto de la entrada se debe a que estamos haciendo cambiar de región de operación al transistor T2, es decir, debemos introducir o extraer carga de la región de base de dicho transistor. Debido a los efectos capacitivos asociados a esta acumulación de carga en la base este proceso requiere un tiempo que es el que se debe estimar. Vi Vo tphl t tplh 50% 50% Figura 5: Respuesta a un pulso de tensión. t 5. Utilizando un transistor más a la entrada como se muestra en la figura 6 calcular la función lógica del circuito. Recordar que función lógica es valor que toma la salida de un circuito digital (en términos de valores alto o bajo, 0 o 1 ) en función de 4

6 V 1 V 2 V O Tabla 1: Tabla de verdad correspondiente al circuito de la figura 6 las combinaciones que se pueden dar a la entrada. Comprobar que se trata de una puerta NAND (Tabla 1). 5V 2k 5k Vo V1 V2 Figura 6: Puerta TTL con dos entradas. 5

7 3. AMPLIFICADOR MONOETAPA CON TRAN SISTOR BIPOLAR. FUNDAMENTO TEÓRICO El objetivo de esta práctica es construir un amplificador con un transistor bipolar en configuración emisor común y caracterizarlo midiendo una serie de parámetros como son la ganancia en tensión, la resistencia de entrada, la resistencia de salida y la respuesta en frecuencia. Para construir un amplificador con transistor lo primero que se debe hacer es polarizarlo, eligiendo un punto de trabajo adecuado. En el caso de amplificadores donde se requiera una comportamiento lineal la región que cumple esta condición es la zona activa. En la práctica 1 se polarizó un transistor bipolar en la región activa. Aprovechando los datos de dicha práctica vamos a añadir los elementos que dan la forma final al amplificador monoetapa (Fig. 7). 12 V RB1 RC V2 RX V1 CB CC IL Vo RS VS I1 RB2 RE CE RL Ri RO Figura 7: Amplificador monoetapa con transistor bipolar. Condensadores C C y C B :Impidenquelaseñal continua de esta etapa afecte a etapas anteriores o posteriores, o dicho de otra forma que etapas anteriores o posteriores modifiquen el punto de operaciónquesehabía elegido de partida. En este caso lo que puede afectar al punto de operación de nuestra etapa es la resistencia del generador y la resistencia de carga. Tomar C C 10μF y C B 10μF Condensador C E : En continua no afecta a la resistencia de emisor, garantizando la estabilidad que proporciona la resistencia R E. Sin embargo, a las frecuencias de trabajo se elige su valor de tal forma que su impedancia sea prácticamente nula, cortocircuitando por tanto la resistencia de emisor y permitiendo con ello aumentar la ganancia en tensión de la etapa. Tomar C E 220μF Resistencia de carga R L : representa la resistencia que presenta cualquier sistema sobre el que se va a recoger la señal amplificada. Tomar R L =10kΩ Resistencia R x : esta resistencia se utiliza por problemas particulares de este circuito y del generador de señal que se utilizará en el laboratorio. Debido a la alta ganancia en tensión que proporciona este amplificador, si no se utilizan señales de entrada 6

8 de amplitud suficientemente pequeña la salida puede quedar recortada a sus valores extremos (0V, 12V). Se utiliza esta resistencia para absorber parte de la tensión que proporciona el generador de entrada. Tomar R x =20kΩ REALIZACIÓN PRÁCTICA Trabajo teórico (IMPORTANTE: ES OBLIGATORIO LA PRESENTA CIÓN DE ESTE TRABAJO PARA PODER REALIZAR LA SESIÓN DE LABORATORIO). Calcular las ganancias A v1 (s) =V O (s)/v 1 (s) ya v2 (s) =V O (s)/v 2 (s) (admitirque la impedancia de los condensadores C C y C B es nula). Representar el diagrama de Bode en ambos casos. V2 RX I1 V1 r vbe gv m be IL Vo RS VS RB1 RB2 RE CE RC RL Figura 8: Estudio en pequeña señal del amplificador. Calcular la resistencia de entrada R i a una frecuencia donde la ganancia sea máxima (impedancia del condensador C E nula) R i = V 1 I 1 (5) Calcular la resistencia de salida a la misma frecuencia ( ) VO R O = I L R L =,V s=0 (6) Trabajo práctico. Montar el circuito de la figura 7 con los valores de los componentes utilizados en el cálculo teórico, que deben coincidir con los de la práctica de polarización del transistor con R E no nula. Antes de añadir los elementos adicionales que hemos comentado más arriba comprobar que el transistor se encuentra bien polarizado. Después, terminar de montar el circuito. Medida del diagrama de Bode en módulo para una de las ganancias A v1 (s) oa v2 (s). Medir a partir de 10 Hz. 7

9 Medida de la resistencia de entrada R i en el rango de frecuencia de ganancia máxima. Utilizar una resistencia de prueba R p de valor próximo a la Ri calculada teóricamente (Fig. 9). R i V A = V s (7) R i R p Rp VS Ri VA Figura 9: Medida de la resistencia de entrada. Medida de la resistencia de salida R O en el rango de frecuencia de ganancia máxima. Medir la salida en circuito abierto y con una resistencia parecida a la R O encontrada teóricamente (Fig. 10). RO RO Vt Vo1 Vt R Vo2 Figura 10: Medida de la resistencia de salida. Comparación con los resultados teóricos 8

10 4. FILTRO ACTIVO PASO BANDA. FUNDAMENTO TEÓRICO. El objetivo de esta práctica es construir un filtro paso banda de segundo orden con un amplificador operacional. Se pueden diseñar filtros en general de hasta segundo orden con la configuración de la figura 11, donde aparecen cinco admitancias correspondientes a condensadores o resistencias. La función de transferencia Y4 Y5 Vi Y1 VO Y2 Y3 Figura 11: Medida de la resistencia de salida. de este circuito es: Y 1 Y 3 H(s) = (8) Y 5 (Y 1 Y 2 Y 3 Y 4 )Y 3 Y 4 Un filtro paso banda posee una función de transferencia como esta: Ho2δw o s H(s) = (9) s 2 2δw o s wo 2 Con el circuito anterior se puede conseguir esta función de transferencia si se eligen las admitancias tal como se muestra en la figura 12. Vi C1 R4 C5 R2 R3 VO Figura 12: Medida de la resistencia de salida. Como ejercicio teórico identificar H o, δ y w o con C 1, C 5, R 2, R 3 y R 4. Si llamamos C 5 = C y C 1 = K C comprobar que se cumple: R 2 = R 4 = 2δH o w o CK 1 R 3 = 2δH o w o C 1 w o C ( 2δ(K H o ) (10) (11) ) (12) K 2δH o 9

11 TRABAJO PRÁCTICO. 1. Diseñar un filtro paso banda de segundo orden con los siguientes parámetros: H o = 15, δ =0.3, f o =15kHz (IMPORTANTE: ES OBLIGATORIO LA PRESENTACIÓN DE LOS VALORES DE RESISTENCIAS Y CONDENSADORES OBTENIDOS PARA PODER REALIZAR LA SESIÓN DE LABORATORIO). Los condensadores deben elegirse de entre los que se proporcionan para hacer la práctica. Si no se dispone de los valores exactos de las resistencias, combinarlas hasta encontrar los más próximos. Con los valores reales volver a calcular H o, δ, f o. 2. Montar el circuito (hacer uso del esquema de la figura 13) y medir el diagrama de Bode en módulo. Compararlo con la teoría. 3. A bajas frecuencias introducir a la entrada una señal triangular y observar la señal de salida. Representar el resultado y razonar el porqué. (Presentar al inicio de la sesión lo que esperáis encontrar). 4. A altas frecuencias introducir a la entrada una señal cuadrada y observar la señal de salida. Representar el resultado y razonar el porqué. (Presentar al inicio de la sesión lo que esperáis encontrar). Figura 13: Descripción de los terminales de la cápsula del amplificador operacional

12 A. FACTOR DE INESTABILIDAD. VCC RC IC VBB RB Ic0 IC I C IC0 I B IB I B IE IB I B 0.6V RE Figura 14: Modelo de transistor bipolar incluyendo la fuente de corriente I C0. Analicemos el circuito de la figura 14. Al modelo de transistor en activa se le ha añadido una fuente de corriente I C0 que tiene en cuenta las corrientes parásitas que circulan por el transistor. La nueva relación entre las corriente de colector y base se obtiene de la siguiente manera: I C = βi B I C = I C I C0 I B = I B I C0 = I C β I C0(1 1 β ) La ecuación de la malla que cubre la unión BE es: V BB = I B R B V BE I E R ( E IC V BB = β I C0(1 1 ) β ) (R B R E )V BE I C R E Las variables que son más sensibles a la temperatura en la ecuación anterior son I C e I C0. Si se deriva la ecuación anterior con respecto a la temperatura se puede obtener la siguiente relación: S = ΔI C = (R B R E )(1 β) ΔI C0 R B R E (1 β) Aestarelación la vamos a denominar factor de inestabilidad. Tiende hacia la unidad cuando R E se aproxima a un circuito abierto. Toma el valor 1 β cuando R E es un cortocircuito. 11

13 B. CONMUTACIÓN DEL TRANSISTOR BIPOLAR. Cuando varía la tensión externa que polariza la unión BE, la diferencia de potencial enlosextremosdelaunión BE no cambia bruscamente con el tiempo, como tampoco lo hace la carga almacenada en la base. V1 N I= E II C B P 0 W 0<t<ta t=ta t N IC VF VR IB IF 0.1 IR t t IB Extracción de huecos IR IC ta td V1 t Figura 15: Conmutación del transistor bipolar. Cuando el transistor bipolar pasa de activa a corte se extraen portadores de la base. La corriente del terminal de base la componen los huecos que están en exceso y que mantienen la neutralidad en la zona neutra de base, compensando el exceso de electrones. Al crearse un defecto de carga positiva en la base se deben extraer los electrones, que fluyen tanto por el colector como por el emisor. La corriente de emisor y colector debido a ese flujo de electrones viene determinada en cada instante de tiempo por la pendiente de la concentración de electrones n(x, t) enx =0yx = W respectivamente. Como se ve en la figura 15 la corriente de colector prácticamente no varía en el intervalo 0 <t<t a debido a que la pendiente en x = W tampoco varía apreciablemente. La corriente de emisor es I E = I C I B, que puede incluso invertirse, dependiendo del como sea de grande I B respecto a I C. A partir de t a, es decir cuando n(0,t) = 0, el exceso de carga empieza a hacerse negativo con lo que la corriente de base tiende a cero e I C también, en un tiempo de caída t d. El nivel de corriente de base durante el tiempo de almacenamiento dependerá del circuito externo. En el caso del circuito de la figura 16a I B = V R /R B.En el circuito de la figura 16b I B depende de como se polarice el primer transistor, es decir, del valor de su corriente de colector. Vcc 5V RC 2k 5k RB Vo V1 (a) Vi T1 (b) T2 Figura 16: 12

14 C. MATERIAL DISPONIBLE PARA PRÁCTICAS. Para realizar todas las prácticas se dispondrá de los siguientes componentes: componente unidades 100Ω 1 360Ω 1 1KΩ 1 1.5KΩ 1 4.7KΩ 1 10KΩ 1 16KΩ 1 20KΩ 1 47KΩ 1 68KΩ 1 100KΩ 1 120KΩ 1 220μF 1 10μF 2 4.7pF 2 33pF 2 1N BC547B 3 13