EL TRANSISTOR Características, polarización, estabilidad, clases de trabajo. El amplificador con transistor.

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1 EL TRANSISTOR Características, polarización, estabilidad, clases de trabajo. El amplificador con transistor. Autor: Ing. Aída A. Olmos Cátedra: Electrónica I Facultad de Ciencias Exactas y Tecnología UNIVERSIDAD NACIONAL DE TUCUMAN

2 ELECTRONICA I Tema: El transistor: características, polarización, estabilidad, clases de trabajo. El amplificador con transistor 1.- Estudio de las características sobresalientes del transistor Elija un transistor (BC 548A,BC548C, BC549, etc.) e identifique sus terminales con un óhmetro. Por ser un transistor NPN, su equivalencia elemental es: E C B Con el multímetro en la función diodo o en óhmetro x1, se tocarán las patas de a dos tratando de encontrar los diodos Busque en el manual la hoja de datos del mismo y tome nota de sus características sobresalientes: Para el BC548B: Máxima tensión Colector -Emisor, V CE máx. = 30V Máxima corriente de Colector, I CE máx = 100 ma Máxima potencia de disipación, P d máx = 500 mw Ancho de Banda = AB = 150 MHz Ganancia de corriente = h fe typ = 330 Tensión Colector Emisor de saturación, V CE sat. = 80 mv 200 mv 2.- Cálculo de la polarización. Estudio de la estabilidad Usando el mismo transistor estudiado en el punto anterior, calcule los valores de resistencias necesarios, para que los circuitos 2.1.A y 2.1.B, operen en clase lineal. Mida los valores de I C y de V CE, en ambos circuitos, para el punto Q. Página 2

3 Para el circuito de la Figura 2.1.A: a) Se adopta un valor de tensión de alimentación: V CC = 8V b) Se adopta un valor de tensión de Colector- Emisor, tratando de polarizar en zona lineal. Para ello, se adopta un valor igual a la mitad de la tensión de alimentación; verificando que el mismo sea mucho menor que el valor máximo especificado en la hoja de datos. Como, para el BC548B V CE máx. = 30V, adopto V CE = 4V. c) Se empieza a plantear las mallas: Vcc= V RC +V CE + V RE (1) d) Se adopta el valor de la tensión sobre la resistencia de emisor R E. Este valor debe estar comprendido entre el 10 % y el 20% de V CC. Tomar un valor inferior al 10% de V CC, provocaría una disminución de la estabilidad (ver punto 2.2). Si se adoptara un valor mayor al 20% de V CC, la excursión de la señal de salida podría ser pequeña. En este caso se adoptará : V RE = 10% V CC = 0.8 V e) De la hoja de datos se puede leer que I cmáx = 100mA. Por lo tanto se adopta: I C = 5 % I C máx = 5 ma f) Se verifica que la potencia desarrollada sobre el colector, no supere el valor de potencia máxima especificada por el fabricante : P dq = V CEQ x I CQ = 20 mw << P d máx = 500 mw Página 3

4 g) De (1): R C = (Vcc- V RE -V CE ) / I C R C = 640Ω Normalizado R C : R C = 680Ω h) Como: V RE = I E. R E = 0.8V Además: I C = β I B (2) I E = (1+β) I B (3) Por lo tanto: I E /I C = 1+ 1/β (4) Ya que β= 300, entonces: Entonces: Normalizando R E : I C = I E = 5 ma R E = V RE / I E = 160Ω R E = 150Ω i) De (2) se calcula I B : I B = I C / β = μa j) Se debe adoptar la corriente, que circula por la resistencia R B, de tal suerte que sea mucho mayor que la corriente de base, ya que por criterio de estabilidad nos interesa que la tensión sobre la resistencia R B sea fija e independiente del valor que tome la corriente de base I B. Para que esto se cumpla, la corriente que circula por la resistencia R B no debe cambiar si varía la corriente de base I B ante factores como temperatura, valor de tensión de fuente, etc. Pero, también se debe considerar que la corriente de polarización I P no puede ser muy grande. I P debe ser por lo menos un orden menor que la corriente de collector I C para evitar un consumo excesivo de la batería y un bajo rendimiento del circuito: I p >> I B ; I p << I C Se adopta: I p = 200μA = 0.2 ma k) Se considera la tensión base emisor: V BE = 0.6V l) Se calcula la resistecia R B : R B = ( V BE + I E R E ) / I p = 7000Ω Normalizando R B : R B = 6.8 KΩ Página 4

5 m) Como I p es mucho mayor que I B, entonces se puede decir que por la resistencia R A también circula I p: Al plantear la malla exterior: Vcc= I p. (R A + R B ) n) Entonces R A = Vcc / I p. R B = kω Normalizando R A : R A = 33 KΩ En síntesis para el circuito de la figura 2.1.A, los valores de componentes son: T1 = BC548B, V CC = 8V, R C = 680Ω, R E = 150Ω, R B = 6.8 KΩ, R A = 33 kω Para el circuito de la figura 2.1.B: a) Se adopta un valor de tensión de alimentación: V CC = 8V b) Se adopta un valor de tensión de Colector- Emisor igual a la mitad de la tensión de alimentación; verificando que el mismo sea mucho menor que el valor máximo especificado en la hoja de datos. Como, para el BC548B V CE máx. = 30V, adopto V CE = 4V. c) Se empieza a plantear las mallas: Vcc= V RC +V CE (1) d) Se adopta I C = 5 % I C máx = 5 ma e) De (1): R C = (Vcc- V CE ) / I C R C = 800Ω Normalizando R C : R C = 1000Ω f) Como: I B = I C / β = μa g) La corriente, que circula por la resistencia R A, es la corriente de base I B Página 5

6 h) Se calcula la resistecia R A, planteando la malla exterior: Vcc= I B. R A + V BE i) Entonces R A = ( Vcc- V BE ) / I B = 440 KΩ Normalizando R A : R A = 470 KΩ En síntesis para el circuito de la figura 2.1.B, los valores de componentes son: T1 = BC548B, V CC = 8V, R C = 1000Ω, R A = 470 KΩ 2.2- Acerque una fuente de calor (tal como un soldador) a los transistores y repita las mediciones. Al acercar un soldador, se está simulando el trabajo del amplificador a una temperatura superior a la ambiente (27ºC). El aumento de temperatura provocará que el β del transistor aumente. Las curvas de la gráfica corriente de colector Vs tensión colector-emisor, se desplazan hacia arriba, provocando que el punto de polarización se desplace, ya que la recta de carga no se mueve (la pendiente de la recta de carga depende de los valores de las resistencias de colector y emisor y estos no varian con la temperatura) Se debe verificar que el cambio porcentual en los valores de I C y V CE son mucho mayores en el circuito B que en el A. Esto es debido a que el factor de estabilidad es menor en el circuito B Como se puede observar en las figuras, las curvas características del transistor, se modifican con la temperatura. Página 6

7 Desde el punto de vista cualitativo: En el circuito 2.1.A: Si por efectos de la temperatura aumenta la corriente de base, aumenta la corriente de colector, lo que provoca un aumento de la caída de tensión en la resistencia de emisor. Como la tensión desarrollada sobre la resistencia R B, es constante por ser la corriente de polarización Ip >> I Β ( por lo tanto no es afectada por un incremento de I B ), disminuye la tensión V BE lo cual provoca una disminución de la corriente de base Se debe notar que lo importante es mantener la corriente de colector constante y no la de base; ya que lo que en realidad interesa es mantener el punto de polarización constante Cálculo de factor de estabilidad: El factor de estabilidad S, se define como: S 1+ β = di B 1 β. di C Página 7

8 Para el circuito 2.1.A, realizando el equivalente Thévenin: RTH RA//RB 3.8k + VTH 1,52V Rc 680 Q1 BC548B RE Vcc 8V V = I. R + V + I. R TH B TH BE E E ( ) ( ) ( ) V = I. R + V + I + I. R TH B TH BE C B E V = I. R + R + V + I + I. R TH B TH E BE C B E Derivando con respecto a la corriente de colector: dvth dib dvbe dic =.( R + R ) + +. R di di di di TH E E C C C C Como las tensiones V TH y V BE son constantes, sus derivadas son cero. Quedando: Por lo tanto: reemplazando en el factor de estabilidad: dib 0 =.( R + R ) + 0+ R di C TH E E di B RE = di R + R C TH E 1+ β S = = 0.32 RE 1 β. R + R Este valor de S, nos indica que el circuito es muy estable TH E Para el circuito 2.1.B Página 8

9 RA 470K + Vcc 8V Rc 1000 Q1 BC548B + Vcc 8V V = I. R + V CC B A BE Derivando con respecto a la corriente de colector: Reemplazando en el factor de estabilidad: dv di dv =. RA + di di di CC B BE C C C dib 0 =. RA + 0 di di di B C C. R = 0 A S 1+ β = = 1+ β = β.0 Este valor de S, indica que el circuito es altamente inestable 3.- Estudio de la características de transferencia Polarize el transistor (BC548B, BC337/338), para V CE = V CC /2. Mida las corrientes I B e I C. Obtenga la curva Vo vs Vs a 1KHz. Determine el máximo Vs para obtener una tensión de salida sin distorsión. Obsevación: Si se realiza el modelo Thévenin para la continua nos queda: En el, se puede observar que si Rp toma un valor grande, entonces la tensión VTH disminuye y por lo tanto lo hará la corriente de base, llevando al transistor a la zona de corte. Mientras que si Rp toma un valor pequeño la tensión VTH aumenta provocando el aumento de la corriente de base y por lo tanto llevará al transistor a la zona de saturación. Página 9

10 Primero se calculará el valor de potenciómetro, para que cumpla con la condición V CE = V CC /2. Para ello se debe dibujar el circuito que verá la componente continua: Planteando las ecuaciones de malla: Vcc= I C. R C +V CE + I E.R E (1) como en la zona lineal se cumple que: I C =β I B (2) I E = (1+β) I B (3) Por lo tanto: I E /I C = 1+ 1/β (4) Si β>100, entonces: I E = I C Reemplazando en la primera ecuación: Como, V CE = V CC /2, entonces: Vcc= I C. (R C + R E ) +V CE Vcc /2 = I C. (R C + R E ) Página 10

11 Por lo tanto: I C = Vcc /(2(R C + R E )) I C =3,63 ma De (2): I B = I C /β de las hojas de dato β= 300 I B = 12,10 μa Suponiendo que V BE = 0.6V y reemplazo: I p. R B = I B R 6 + V BE + I E R E (5) I p = 96,357 μa = 0,1mA Como la corriente que circula por R B (I p ) es mucho mayor que I B, se puede suponer que será igual a la corriente que circula por R A y por el potenciómetro. Planteo otra malla: Despejando: Vcc= I p. (R A + R pot + R B ) (6) R pot = 5,1 KΩ Como se puede notar, los cálculos indican que si es posible, con los valores dados, polarizar en este punto. Si se exita el circuito con una señal senoidal cuya ampltud es de 0.2V y frecuencia de 1KHz : A la salida se podrá ver con un osciloscopio: Página 11

12 En ella observamos que: a) Efectivamente, la señal sale invertida con respecto a la entrada en 180º, b) La señal senoidal está montada sobre un valor de continua. Al introducir la señal a un analizador de espectros, se puede observar el siguiente espectro, del cual se desprende: a) Una componente de continua de 4.4V, b) Una componente fundamental (a 1KHz) de 1.847V de amplitud c) Ausencia de armónicos Al realizar la curva Vo vs Vs a 1KHz, se podrá observar la presencia clara de tres zonas: Una zona lineal de ganancia de tensión constante igual a 10, que se observa en la pendiente de la curva Una zona cuadrática de ganancia variable que va disminuyendo a medida que aumenta la tensión de entrada. La ganancia esta dada por la pendiente de la recta tangente a la curva, en dcada punto. Página 12

13 Una zona de tensión de salida constante igual a 8V, donde la ganancia va cayendo a medida que aumenta la tensión de entrada. En el infinito la ganancia será cero Determine el máximo Vs para obtener una tensión de salida sin distorsión. Para ello: 1) Se debe calcular la máxima excursión de la tensión de salida. Para esto se deberá determinar el valor de tensión de continua sobre el cual la señal variacional está montada. O sea: V OUT = V CE + I E. R E V OUT = V A partir de este valor se desarrollará la tensión senoidal de salida, que tendrá como límite superior aproximadamente 8V (tensión de fuente) y aproximadamente 0V como límite inferior (el verdadero límite inferior es la tensión de saturación del transistor) Se Calcula las excursiones superior e inferior: Superior: 8V V = V Inferior: 4.363V Para que no haya distorsión, la señal de salida no debe estar recortada ( ello produciría la aparición de armónica), por lo tanto V o máx = 3.637V 2) Se calcula la ganancia de tensión del circuito: para ello realizamos el modelo lineal por partes para pequeñas señales: Página 13

14 A V = V OUT / V IN V IN = (h ie + R 6 + h fe. R E ) I b V OUT = - R C. h fe. I b A V = h fe R C / (R 6 + h ie +R E. h fe ) (6) Reemplazando: h fe = 300 h ie = 1000 Ω A V = Este valor negativo de la ganancia indica que la señal de salida estará invertida 180º con respecto a la entrada Por lo tanto: V S máx = V o máx / A V V S máx = 0.42 V Si se excita con una señal senoidal cuya amplitud es de 432mV, a la salida se observa: Página 14

15 Al analizar el contenido armónico, se puede ver que hay una incipiente 2º armónica. Por lo tanto hasta este valor de señal de entrada, se podría decir que el comportamiento es lineal Polarize el transistor para V CE = 0.9V CC. Mida las corrientes I B e I C. Grafique la tensión de salida, Vo vs t y determinar el máximo Vs para obtener una tensión de salida sin distorsión. Antes que nada, se debe recordar que cuando el transistor no trabaja en zona lineal se dejan de cumplir las ecuaciones que nacen del modelo lineal por partes. Con el potenciómetro en 10 KΩ, el transistor está trabajando en la zona de corte. La corriente de base medida es I b = na y la corriente de colector es I c = μa. La corriente de base y de colector son muy pequeñas. Se observa de estos valores que no se cumple con la ecuación: I C =β I B En el espectro, se puede observar que hay una fuerte componente de 2ª y 3ª armónica, debido al comportamiento no lineal del amplificador Polarizar el transistor para V CE = 0.5V. Mida las corrientes I B e I C.Grafique la tensión de salida, Vo vs t y determinar el máximo Vs para obtener una tensión de salida sin distorsión. Página 15

16 Con el potenciómetro en 800 Ω, el transistor está trabajando en la zona de saturación. La corriente de base es I b = μa y la corriente de colector es I c = ma. De estos valores, concluimos que tampoco se cumple la ecuación: I C =β I B Observar que hay componentes de 2ª y 3ª armónica no despreciables. 4.- Estudio de la características de frecuencia Para el mismo circuito de la figura 3, obtener la curva A V vs f, con Vs constante. Para obtener esta gráfica, se deja constante la amplitud de la tensión de entrada en un valor conocido y se realiza un barrido en frecuencia, tomando nota de la frecuencia de entrada, de la amplitud de la tensión de salida, y de la fase ( mediante figura de Lissajous) de la misma. La gráfica obtenida es: Página 16

17 Se observa: La ganancia es de 20dB en la planicie (zona de frecuencias medias) La zona de trabajo es donde la ganancia es constante. Está comprendida entre los puntos de media potencia ( donde la ganancia cae 3dB) los que darán el ancho de banda (AB) del amplificador. En esta zona, se amplificaran por igual todas las señales comprendidas en el ancho de banda. El AB es una característica muy importante de toso amplificador, ya que indicará el posible uso del mismo. Por ejemplo si el amplificador debe ser usado para amplificar señales de audio por ejemplo música, el mismo debe ser capáz de tener ganancia constante desde los 50 HZ hasta los 20 KHz. Ello es debido a que, es deseable que se amplifiquen todas las componentes por igual para obtener una señal de salida idéntica a la entrada (sin distorsión) De la gráfica se desprende que f L = 40 Hz, f H = 30MHz. El Ancho de banda es AB = f H - f L = 30 MHz La fase es de 180º desde los 300Hz hasta 1 MHz. En esta zona el amplificador desfasa la señal de entrada en 180º o sea invierte la salida con respecto a la entrada. Por ejemplo si excitamos el amplificador con una señal de 50 HZ, se verá que el desfasaje es: Página 17

18 4.2- Determinar el rango de frecuencia para operar sin distorsión. De la gráfica: desde 40 HZ hasta 30 MHz 4.3- Calcular para el circuito dado A V y comparar con los valores obtenidos. A V = - h fe R C / (R 6 + h ie +R E. h fe ) A V = - R C / R E -10 A V (db) = 20 log A V A V (db) = 20 Se observa que el valor calculado de ganancia de tensión es exacto al valor medido. 5.- Estudio de las impedancias de entrada y salida Calcular los valores de Z in y Z o en el circuito de la figura 3. Cálculo de Zin: Para ello, se cortocircuita la salida y el modelo para la variacional queda: Página 18

19 Si se redibuja el circuito: La carga que ve el generador es Zin = V IN / I IN Pero como por las ramas donde está el potenciómetro y la resistencia RB, no circula corriente variacional, entonces: Zin = [(R Pot + R A ) // R B ]// [R 6 + h ie + R E. (h fe + 1)] Generalmente el valor paralelo las resistencias de polarización [(R Pot + R A ) // R B ] es mucho mas grande que [R 6 + h ie + R E. (h fe + 1)] y la impedancia de entrada toma un valor muy próximo a Zin = R 6 + h ie + R E. (h fe + 1). Pero en este caso, debido a los valores de corriente que se trabajan, esto no se cumple: Zin = 876Ω //31,047 KΩ Zin = 852Ω Cálculo de Z OUT : Método 1: Z OUT = V o vacio / I CC Página 19

20 Por lo tanto : V o vacio = - h fe. I b. R C Para calcular la corriente de corto circuito, se cortocircuita la salida: Vemos que: I CC = - h fe.i b Z OUT = I C. R C / I C Z OUT = R C Z OUT = 1 KΩ Método 2: Se coloca un generador en la salida V OUT, de amplitud conocida y se cortocircuita la entrada ya que en ese nodo había un generador de tensión. Si el generador que excita la entrada, hubiese sido de corriente, entonces esta se abre. Página 20

21 Dibujando el modelo: Se observa que las ramas dondes están R pot, R A y R B quedan cortocircuitadas, por lo tanto se anulan. Como i b es igual a cero, se anula el generador controlado de corriente, quedando: Z OUT = V OUT / I OUT I OUT = V OUT / R C Por lo tanto: Z OUT = R C = 1KΩ 5.2- Medir Z in y Z o Para medir la impedancia de entrada, en el laboratorio, se procederá a colocar una pequeña resistencia auxiliar R aux =100 Ω, en serie con la fuente de excitación V IN. Esta resistencia debe Página 21

22 ser pequeña para que la mayoría de la tensión caiga en la impedancia de entrada Z in y no en ella. Luego se dará una amplitud conocida a V IN y se medirá la corriente que circula por la resistencia R aux (I IN ). Zin = V IN / I IN Se puede construir una gráfica del comportamiento de la impedancia de entrada con la frecuencia, realizando un barrido en frecuencia y las mediciones arriba descriptas. El gráfico comportamiento de la impedancia de entrada con la frecuencia es: de la medición : Zin = 853 Ω a 1KHz Método de medición de la impedancia de salida en el laboratorio: a) Se mide la tensión de salida en vacio. b) Se coloca un potenciómetro de 2 KΩ a la salida y se hace variar el potenciómetro hasta que la tensión que cae sobre él sea la mitad de la tensión de salida en vacio. c) Se levanta el potenciómetro del circuito y se mide su valor con un óhmetro. De las medición: Z OUT = 0.998KΩ a 1KHz Comportamiento de la impedancia de salida con la frecuencia: Página 22

23 5.3- Compare los valores obtenidos con los calculados y con los de la hoja de datos. Se observa que los valores medidos y los calculados de impedancias de entrada y salida son muy próximos. Página 23