Instituto Tecnológico de Costa Rica Escuela de Ingeniería Electrónica Profesores: Ing. Sergio Morales, Ing. Pablo Alvarado, Ing. Eduardo Interiano Laboratorio de Elementos Activos II Semestre 2006 I Experimento 5: Transistores BJT como interruptores: Multivibradores Objectivo General Al finalizar el experimento y su análisis, el estudiante estará en capacidad de explicar el funcionamiento de un transistor funcionando como interruptor en circuitos multivibradores. II Objetivos Específicos 1. Explicar el comportamiento del transistor como interruptor y analizar sus características en las regiones de corte y saturación. III 2. Explicar el funcionamiento de circuitos multivibradores monoestables, biestables y astables con transistores BJT, y poder modificarlos para adecuarlos a especificaciones indicadas. Cuestionario Previo 1. Busque las hojas de datos de los diodos y transistores utilizados en este laboratorio. Observe que la corriente nominal de los LED por usted utilizados debe conocerse para poder dimensionar los circuitos utilizados en el laboratorio. 2. Investigue el funcionamiento del transistor como interruptor. Qué significa que el transistor trabaje en su región de saturación? Qué es la región de corte? 3. En la región de saturación: Qué valor típico se puede esperar para la caída de tensión U BE entre la base y el emisor del transistor? Qué tensión U CE cae usualmente en este caso entre colector y emisor? 4. En la región de corte: Qué valor típico se puede esperar para la caída de tensión U BE entre la base y el emisor del transistor? Cuál es la magnitud de las corrientes I C de colector e I E de emisor? 5. Investigue qué son circuitos multivibradores monoestables, astables y biestables. Analice el funcionamiento de los circuitos multivibradores basados en BJT a un nivel conceptual. 6. Investigue cómo se puede cambiar entre los estados estables del multivibrador biestable mostrado en la figura 1. 7. Simule el circuito de la figura 1 y produzca cambios de estado de acuerdo a sus resultados en el punto anterior. Mida y grafique las tensiones en las bases de los transistores, en sus colectores. 1
U CC =5V U sal1 U sal2 Figura 1: Circuito multivibrador biestable. = = 1 kω, = = 10 kω 8. Investigue cómo tiene que ser la entrada de disparo para que el multivibrador monoestable de la figura 2 se active. U CC =5V C U sal D 1 D 2 2 kω 0,1 µf Figura 2: Circuito multivibrador monoestable. = = 1 kω, = = 10 kω 9. Analice el circuito de la figura 2 y demuestre que la caída de tensión en la base del transistor Q 2 está dada por la ecuación U B2 (t) = U CC + (U 0 U CC )e t/(r B 2 C) (1) donde U 0 = U BEsat U CC, y U BEsat es la tensión entre base y emisor del diodo en saturación, y t = 0 es el instante de disparo. 2
10. Demuestre que el ancho del pulso de salida está dado entonces por: U0 U CC T = C ln U BEsat U CC (2) 11. Simule el circuito de la figura 2 y grafique la tensión de salida U sal, y la tensión en la base de Q 1 y Q 2, y en el condensador C. En la simulación utilice para los disparos una señal cuadrada a diferentes frecuencias mayores y menores que 1/T. 12. Analice el circuito de la figura 3 y demuestre que la caída de tensión a la salida U sal tiene una frecuencia aproximadamente igual a f = 1 T 1,3 C 1 + C 2 (3) donde la señal de salida U sal es aproximadamente U CC durante UCC U 0 t ON = C 2 ln U CC U BEsat y es aproximadamente 0 V durante UCC U 0 t OFF = C 1 ln U CC U BEsat U CC =5V C 2 C 1 U sal Figura 3: Circuito multivibrador astable. = = 1 kω, = = 10 kω 13. Simule el circuito de la figura 3 y grafique la tensión de salida U sal, la tensión en la base de Q 1 y Q 2, y la tensión en los condensadores. 14. Cómo debe modificarse el circuito de la figura 3 para: 3
IV 14.1. duplicar la duración de un periodo? 14.2. que en un periodo la señal de salida tenga un ciclo de trabajo del 20 %, manteniendo la frecuencia? 14.3. que en un periodo la señal de salida tenga un ciclo de trabajo del 80 %, manteniendo la frecuencia? 15. Cómo puede modificarse el circuito de la figura 3 para que la carga consista en dos LED que alternativamente se enciendan y apagan con una frecuencia cada uno de 0,5 Hz. 16. Los resultados de todas las simulaciones con los tres circuitos deben ser presentados al profesor antes de realizar las pruebas experimentales. 17. En la sesión de laboratorio no se utilizan los circuitos mostrados en las figuras, sino modificaciones propuestas por usted. Revise el procedimiento y realice todos los diseños alĺı indicados antes de la sesión de laboratorio. Monte sus circuitos antes de la sesión de laboratorio. Materiales y Equipo Los números indicados son las cantidades necesarias de componentes para montar todos circuitos, que deben estar listos antes de la sesión de laboratorio. 1 fuente CC 1 generador de funciones 1 osciloscopio de rayos catódicos (ORC) 1 aislador de tierras (tapón aislador) 1 multímetro digital 1 placa de montaje de prototipos (protoboard) alambre aislado 26/24AWG, cables, alicates 6 transistores NTE123, 2N2222 o equivalentes 2 diodos de conmutación rápida (por ejemplo 1N914, NTE519 o equivalentes) 6 resistencias de 1 kω 1 resistencia de 2 kω 6 resistencias de 10 kω 1 condensador de 0,1µF 3 condensadores dimensionados por el estudiante 6 resistencias dimensionadas por el estudiante 3 LED rojos 3 LED verdes V Procedimiento 1. Es importante antes de comenzar que: aisle la tierra del osciloscopio (use el enchufe aislador) respecto a la tierra de la fuente. 4
VI comente todos sus circuitos con el profesor antes de aplicarles energía eléctrica. 2. Modifique el circuito de la figura 1 para reemplazar cada carga resistiva ( y ) por un LED en serie con una resistencia, que usted debe dimensionar para que limite la corriente a un máximo igual a la corriente nominal del LED. 3. Compruebe el funcionamiento del circuito biestable. Para ello utilice el mecanismo de cambio de estados por usted sugerido en el cuestionario previo y discutido con el profesor. Note que puede dañar los transistores si utiliza algún mecanismo no apropiado. 4. Modifique el circuito de la figura 2 para reemplazar las cargas resistivas ( y ) por LED en serie con resistencias dimensionadas como en el punto 2 del procedimiento. Además, dimensione y C para que el estado inestable perdure 1 segundo. 5. Verifique el funcionamiento correcto de su circuito produciendo disparos en forma manual y observando el tiempo que perdura el estado inestable. 6. Qué ocurre si el diodo D 1 es reemplazado por un corto-circuito y el diodo D 2 por un circuito abierto? 7. Modifique el circuito de la figura 3 para reemplazar las cargas resistivas por LED en serie con resistencias dimensionadas como en el punto 2 del procedimiento. Además, dimensione y C para que cada estado perdure 1/2 segundo. 8. Compruebe el funcionamiento correcto de su circuito. Evaluación 1. Investigue aplicaciones para los circuitos multivibradores biestables, monoestables y astables. 2. Revise cómo se se pueden modificar los tiempos de los estados inestables en los multivibradores monoestable y astable. Resuma resultados con fórmulas para calcular los valores de los componentes correspondientes. 3. Cómo puede utilizarse el multivibrador astable para medir la capacitancia de un condensador? 4. Por qué deben ser los diodos en el circuito 2 de conmutación rápida? 5. Cómo se deben modificar los circuitos monoestables si se utilizan transistores BJT del tipo PNP? PAM/pam, 24 de agosto de 2006 5