TRABAJO PRÁCTICO NÚMERO 4: Transistores. Estudio del funcionamiento del transistor bipolar como elemento digital

Transcripción

1 TRABAJO PRÁCTICO NÚMERO 4: Transistores Estudio del funcionamiento del transistor bipolar como elemento digital Objetivos Efectuar el estudio del funcionamiento de un transistor bipolar como elemento digital, mediante la obtención de la recta de carga del circuito estudiado y la identificación de las zonas de saturación y de corte. Introducción teórica El transistor bipolar es un dispositivo compuesto básicamente por tres capas de materiales semiconductores extrínsecos, que dan lugar a dos junturas. Existen dos tipos de transistores de acuerdo a la disposición de las capas semiconductoras: NPN y PNP. El transistor presenta tres terminales de conexión, uno por cada capa, que se denominan: base, colector y emisor. La base tiene conductividad contraria a la de los otros terminales y es la encargada de realizar el control de la corriente que atraviesa por el colector y emisor. El transitor presenta tres modos de funcionamiento: Saturación: es el estado en que el transitor funciona como un interruptor cerrado (Vce ~ nula, Ic máxima); Corte: es el estado contrario al anterior en el cual el transistor funciona como un interruptor abierto (Vce máxima, Ic ~ nula); Amplificación: es el estado en el cual el transistor permite, a través de pequeñas señales (corriente de base Ib), manejar corrientes mucho mayores (del orden de cien veces) en la rama colector-emisor. Elementos necesarios Multímetro (3), Protoboard. Fuente de corriente continua (2). Resistencias: Rc = 390 Ω, Rb = 10 KΩ. Transistor BD137. Desarrollo de la experiencia Parte a) Verificación e identificación de los terminales de un transistor 1. Con el multímetro en la escala de resistencia eléctrica verificar la polaridad de las puntas del multímetro. 2. Muchos multímetros digitales permiten medir la ganancia de corriente (β) de los transistores en una posición generalmente identificada como hfe. Sólo cuando base, colector y emisor del transistor están correctamente ubicados puede leerse el valor correspondiente. Parte b) Determinación de la recta de carga del circuito. 1. Armar el circuito de la figura, utilizando dos fuentes de tensión, Vbb y Vcc, y tres multímetros, dos como miliamperímetros, Ib e Ic, y uno como voltímetro Vce. 2. Ajustar Vcc =10 V y Vbb = 0 V. Comenzar a variar Vbb hasta conseguir sucesivamente los valores indicados en la tabla, anotando las lecturas correspondientes de Ic, Ib y Vce. 3. Calcular el valor de la ganancia de corriente β=ic/ib. 4. Completar la tabla con los valores medidos ( Vce, Ic, Ib ) y los valores calculados ( β ). 5. Representar la curva Ic vs Vce, recta de carga del circuito ensayado. Cuestionario Identificar en la curva representada en 5., la zona de saturación y la zona de corte. Si tomamos como entrada a Vbb y como salida a Vce; explicar qué función lógica resulta y dar su tabla de verdad. Explicar qué consideraciones debieran tenerse respecto de las tensiones de entrada y de salida para que el circuito funcione según la tabla de verdad realizada.

2 Vbb Ic (ma) Vce (V) Ib (ma) β TABLA: Valores de Ic vs Vce para distintos valores de Vbb

3 Resolución: Cálculo de la malla de Salida Para el desarrollo del experimento utilizamos una Vcc de 12V y consideramos que la corriente Ic de saturación debería ser de 20 ma, con estos valores calculamos Rc: Rc = Vcc / Icsat = 12V / 20mA = 600 Ω Como 600Ω no es un valor estándar de resistencia utilizamos una resistencia de 470Ω de las cuales había disponibilidad en el laboratorio. Entonces recalculamos la corriente Ic para este nuevo valor: Icsat = Vcc / Rc = 12V / 470 Ω = 25,53mA Luego calculamos la potencia disipada en la resistencia para los valores de Ic en saturación y Vcc: PRc = Vcc. Icsat = 12V mA = 306,38 mw Debido al cálculo anterior concluimos que debíamos utilizar una resistencia de ½ Watt de potencia. Cálculo de la malla de entrada Para el desarrollo del experimento utilizamos una Vbb variable de 0 a 12V y medimos con el instrumento un β de 350. Entonces calculamos la Ib mínima para saturar al transistor aplicando una Vbb de 4V:

4 Ib = Ic / β = 25.53mA / 350 = 0,0729mA Luego calculamos la resistencia Rb para los valores de Ib y Vbb: Rb = Vbb Vbe / Icsat = ( 4V - 0,7V ) / 0,0729mA = 45,24KΩ Como 45,24KΩ no es un valor estándar de resistencia utilizamos dos resistencias de 22KΩ en serie sumando 44KΩ, de las cuales había disponibilidad en el laboratorio. Entonces recalculamos la tensión de Vbb que producirá la saturación del transistor para este valor de Rb: Vbb = Vbe + ( Ib. Rb ) = 0,7V + ( mA. 44KΩ ) = 3,9V Por los cálculos anteriores concluimos que el transistor debería comenzar a entrar en el estado de saturación al aplicarle una Vbb de 3,9V. Se obtuvieron los siguientes resultados expresados en la tabla I.

5 Tabla I Valores medidos Luego con el objetivo de contrastar los valores obtenidos en la tabla I con la recta de carga del circuito se realizaron los siguientes cálculos que permitieron obtener la recta de carga. Ic = ( Vcc Vce ) / Rc = Vcc / Rc - Vce / Rc Vcc / Rc = cte Tabla II Comparación Valores medidos con recta de carga.

6

7 Gráfico I Recta de carga Respuestas al cuestionario En el gráfico anterior se puede observar claramente la zona de corte (Vce máx.) cuando Vce es igual a Vcc y la zona de saturación (Ic máx.) donde Ic es igual a Vcc / Rc. Si se considerara a Vbb como la entrada y Vce como la salida de un circuito digital se obtendría la función lógica NOT, es decir si se coloca 0 a la entrada se obtiene 1 a la salida y viceversa. Conclusiones Gracias a las mediciones realizadas se pudo verificar el funcionamiento del transistor bipolar observando su comportamiento en la zona lineal, de corte y de saturación. Se pudo verificar que los valores obtenidos en los cálculos se pueden comprobar perfectamente experimentalmente.