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• Vanesa Martinez

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INFORME DE PRÁCTICA DE LABORATORIO PROGRAMA DE INGENIERÍA MECATRÓNICA

Versión 1.0 Periodo 2019-1

Diseño, Simulación E Implementación De Circuitos Con Transistores Moreno David, Rodríguez Julián, y Tamayo Ligia {u1803281, u1803313, y u1803301}@unimilitar.edu.co Profesor: Castro Andrés  Resumen— Con la practica número tres del laboratorio de electrónica se busca que los estudiantes entiendan el comportamiento, configuración, forma de polarización y región de operación en los transistores, con el objetivo de aprender a utilizarlos dentro de un circuito. Se plantean 4 puntos en esta guía, el primero es acerca de un transistor BJT, el segundo de un Mosfet, el tercero un circuito multitapa y por último la creación de drivers para motores ( Push-Pull, puente H y transistor con relé) también se propone realizar las respectivas simulaciones y cálculos apoyándose en los programas Proteus y LTspice. Palabras clave— Circuitos, transistores, Mosfet, BJT, Circuitos multitapa, emisor, base, colector, puerta, drenador, surtidor, polarización y región de operación.

forman un sándwich. Se pueden encontrar dos tipos de configuraciones de estos dopajes, npn y pnp. El emisor (E) que corresponde a una región altamente dopada (n+ o p+) y se encarga de emitir portadores de carga (terminal con la flecha en el símbolo), el colector (C) que se encarga de colectarlos o absorberlos, y la base (B) que es un región levemente dopada, con una ´ área muy pequeña (en comparación del emisor y el colector), y controla la cantidad de portadores ´ que pasan de emisor a colector. Se conoce como transistor bipolar porque las corrientes a través del dispositivo (generadas por difusión) están formadas por electrones y huecos.

I. INTRODUCCIÓN En este laboratorio se busca verificar mediante simulaciones o montajes seis circuitos, el primero de ellos cuenta con un transistor BJT polarizado utilizando un divisor resistivo con degeneración, el segundo es un Mosfet con aultopolarización, el tercero es un circuito multitapa, que cuenta con dos transistores Mosfet, polarizados con drenador y surtidor común, por último están los drivers para motores ser diseñado por los estudiantes. A. Marco teórico

El transistor Los transistores son dispositivos de tres capas cuyos principales usos son como interruptores (especialmente en circuitos digitales) y como amplificadores (en el dominio analógico). La segunda aplicación se obtiene de aprovechar que el transistor puede modelarse como una fuente de corriente controlada por tensión y puede demostrarse que estas fuentes pueden amplificar. Existen dos tipos principales de transistores, el transistor de unión bipolar o ́ BJT y el transistor de efecto de campo o FET. El transistor de unión bipolar (BJT) ́ El transistor bipolar consiste en tres regiones dopadas que

El presente documento corresponde a un informe de práctica de laboratorio de “nombre de la materia” presentado en la Universidad Militar Nueva Granada durante el periodo 2018-2.

Fig. 1. Transistor BJT.

MOSFET El transistor de efecto de campo de Metal-OxidoSemiconductor (MOSFET) está conformado por un material semiconductor dopado (sustrato) en el cual se realizan dos difusiones o regiones altamente dopadas con portadores minoritarios del material. En el MOSFET, el material conductor de la puerta está separado del sustrato por un material dieléctrico (óxido), a lo cual se le conoce como la estructura Mos, que es un sándwich Metal-ÓxidoSemiconductor, básicamente un condensador. Consecuencia de lo anterior, en frecuencias bajas el MOSFET no posee una corriente de puerta y la única corriente que circula a través del dispositivo fluye de drenador a surtidor (Id). Existen dos tipos de MOSFET, el de enriquecimiento cuyo

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canal de conducción debe formarse aumentando la tensión de puerta, y el de empobrecimiento o agotamiento cuyo canal está formado desde su fabricación mediante un dopaje.

II. COMPETENCIAS A DESARROLLAR ● ● ● ●

Identificar las regiones de operación de transistores de unión bipolar (BJT) y de ́efecto de campo (FET). Diseñar, simular e implementar circuitos con transistores usando diferentes técnicas de polarización. ́ Investigar, diseñar, simular e implementar circuitos que permitan encender y apagar un motor DC con inversión giro. ́ Diseñar, simular e implementar amplificadores multietapa usando transistores y verificar los conceptos estudiados sobre estos. III. TRABAJO PREVIO

1.

Estudiar las hojas de datos (datasheets) de los diferentes transistores a ser usados en la práctica de laboratorio y extraer los principales parámetros necesarios para realizar cálculos teóricos.

Tabla. 1. datasheet 2n3904

Fig. 3. Esquemático transistor 2n7000.

Fig. 2. Esquemático transistor 2n3904.

Tabla. 2. datasheet 2n7000

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¿Porque se hace necesario usar métodos de polarización en circuitos con transistores? Puesto que la señal para controlar un sistema es de poca potencia sin embargo la máquina que se ha de controlar exige más de lo que le puede dar la señal de activación. ¿Cuál es la principal ventaja de polarizar mediante autopolarización? Nos asegura que el transistor siempre estará en región activa, es fácil de analizar, además en autopolarización a diferencia de las demás, esta va a mantener la misma potencia del circuito original y es el más barato. ¿En un MOSFET de agotamiento es posible garantizar una tensión puerta-surtidor igual a cero mediante los métodos de polarización presentados? justificar. ¿Describir una aplicación para el amplificador seguidor de surtidor? Este tipo de circuito es muy utilizado como circuitos separadores y como adaptadores de impedancia entre las fuentes de señal y las etapas amplificadoras. Además, su alta impedancia de entrada genera un menor gasto de potencia ¿Cuál de las configuraciones de amplificadores con transistores MOSFET invierte la señal de entrada? Amplificador con surtidor común con Av = −gm1 (ro1||RD) ≈ −gm1RD ¿Cuáles configuraciones básicas de amplificadores con transistores MOSFET tienen ganancia equivalente en magnitud? Puerta común y surtidor común la ecuación es la misma del anterior punto y solo cambia el signo Deducir y reportar las expresiones para la transconductancia de los diferentes transistores estudiados dependientes solo de la corriente de polarización y parámetros del transistor (No deben depender de tensiones entre terminales del transistor). Transconductancia BJT:

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Fig. 4. Primer montaje (BJT).

A. Reportar en una tabla los valores de las corrientes y tensiones presentes en el circuito. En base a estas mediciones estimar el valor de la corriente de saturación inversa (Is), la ganancia de corriente (β), y la región de operación del transistor. ¿El valor de β está dentro del rango especificado en el datasheet del transistor? Corriente 0.06 m A 20,9 mA 19,55 mA

Base Colector Emisor

Voltajes 1,70 V 3,16 V 1,01 V Tabla. 3. Datos 2n3904

𝛽= 𝐼𝑆 =

𝐼𝐶 𝑉𝐵𝐸 𝑒 𝑉𝑇

𝐼𝐶 = 342,3 𝐼𝐵

= 4.24 𝑥10−14 𝐴

B. Simular el circuito:

Mosfet de enriquecimiento

Mosfet de agotamiento

Fig. 4. Simulación montaje 1 (LTspice).

I. DESARROLLO DE LA PRÁCTICA 1. Primero se realizó un circuito en el que utilizamos un transistor BJT, el cual estaba polarizado con un divisor resistivo con degeneración.

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Valores teóricos: Corriente Base 5,99*10^-5 A Colector 0,020 A Emisor 0,020 A

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Voltajes 1,68 V 3,13 V 0,98 V

Tabla. 4. Valores teóricos primer montaje

𝛽= 𝐼𝑆 =

𝐼𝐶 𝑉𝐵𝐸 𝑒 𝑉𝑇

𝐼𝐶 = 347.2 𝐼𝐵

= 6.41 𝑥10−14 𝐴

Este transistor se encuentra en REGIÓN ACTIVA ya que 𝑉𝐶𝐸 ≥ 𝑉𝐵𝐸 3,16 ≥ 1,7 − 1,0 3,16 ≥ 0,7 C. Diseñar la polarización del transistor utilizando dos métodos diferentes: a.

Polarización simple: esta garantiza la misma corriente y voltaje en Vb 𝑉𝑐𝑐 − 𝑉𝐵 𝑅𝐵 = 𝐼𝐵

𝑅𝐵 =

Fig. 6. Simulación con autopolarización.

2. Después de terminarlos primeros 3 montajes empezamos a implementar el circuito de la siguiente figura en este se usó un transistor 2N7000 y se midió el valor real de la resistencia de carga.

110 − 1,736 = 138.27𝐾Ω 0,06 ∗ 10^ − 3

Fig. 7. Montaje 2 (Mosfet).

A. Desconectar la tensión VG y conectar el terminal de puerta del transistor al drenador (generar un corto entre los terminales). Disminuir gradualmente el valor de la tensión VDD a partir de 3V hasta obtener una corriente de aproximadamente 1 mA. Fig. 5. Simulación con polarización simple.

b.

VGS=VGS(TH)=VTH =1.833 V

Autopolarización: Esta garantiza el mismo voltaje en Vb. 𝑅𝐵 =

𝑅𝐵 =

𝑉𝑐𝑐 − 𝑉𝐵 𝐼𝐵

3,168 − 1,7036 = 24.4𝐾Ω 0,06 ∗ 10^ − 3

Fig. 8. Características de transferencia.

Esta dentro del rango mostrado en el datasheet

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B. Conectar de nuevo el circuito de acuerdo con la figura 21 con VDD=10V, aumentar VG desde 0V hasta obtener ID=20mA, y verificar en qué región de operación se encuentra el transistor. VG =2.22V 𝑉𝐷 = 𝑉𝐷𝐷 − 𝐼𝐷(330) = 3.4𝑉 VD > VG – VTH El transistor se encuentra operando en la región de saturación.

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En tercer lugar realizamos un circuito multitapa, en el cual identificamos su polarización, además se compararon los valores teóricos con la simulación, a continuación se muestra el proceso:

C. Conociendo el valor de ID y VTH, obtener el valor de la constante K a partir de la ecuación de corriente. 𝐼𝐷

𝐾 = (𝑉𝐺𝑆−𝑉𝑇𝐻)2 = 0.13 D. Diseñar, simular e implementar la polarización del transistor mediante divisor resistivo y auto polarización : a. Divisor resistivo:

Fig. 11. Circuito multitapa.

a.

Identificar las etapas de amplificadores presentes.

VG = 1.904 para obtener una corriente de 20Ma (10𝑥𝑅2) 1.904 = (𝑅1 + 𝑅2) R1=5.1k R2=1.2k

Fig. 12. Etapa surtidor común con polarización.

Fig. 9. Simulación divisor resistivo.

b.

Autopolarización:

VG = 1.79 para obtener una corriente de 20mA (𝑉𝐷𝐷−𝑉𝐺) 𝑅𝐷 = = 410.5 𝐼𝐷 VGS =1.79V ID=20.15 mA

Fig. 13. Etapa drenador común con polarización.

A continuación se presentarán los cálculos realizados: MOSFET 1

Fig. 10. Simulación autopolarización.

𝑉𝑑 = 𝑉𝑔 = 390 𝐼𝐷 + 15𝑘 15𝑘 − 𝑉𝑑 = 𝐼𝐷 390 𝑉𝑔𝑠 = 𝑉𝑔 − 𝑉𝑠 = −390𝐼𝐷 + 15𝑘 − 100𝐼𝐷 𝑉𝑔𝑠 = −490 𝐼𝐷 + 15𝑘 𝑉𝑠 = 𝐼𝐷 100 𝑉𝑠 = 100 𝐼𝐷 𝐼𝐷 = 𝑘 (𝑉𝑔𝑠 − 𝑉𝑡ℎ)2

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15𝑘 − 𝑉𝑔𝑠 = 0,085(𝑉𝑔𝑠 − 1,68)2 490 41,65𝑉𝑔𝑠 2 − 138,92𝑉𝑔𝑠 + 102,56 = 0 𝑉𝑔𝑠 = 2,23 ≥ 𝑉𝑡ℎ 𝑉𝑔𝑠 = 1,10 Despejamos y obtuvimos ID 15𝑘 − 𝑉𝑔𝑠 = 𝐼𝐷 = 26,1 𝑚𝐴 490 Utilizamos las siguientes formulas con el fin de obtener la ganancia: 𝑔𝑚 = 2√𝑘 ∗ 𝐼𝐷 𝐴 𝑔𝑚 = 94,2 𝑚𝑣 2 𝐴𝑣1 = −𝑔𝑚 ∗ 𝑅𝐷 𝑣 𝐴𝑣1 = −36,7 𝑣

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Fig. 14. Simulación circuito multitapa.

MOSFET 2 15𝑘 = 100𝜇𝐴 41𝑘 + 109𝑘 𝑉𝐷𝐷 ∗ 109𝑘 𝑉𝑔 = = 10,9𝑣 109𝑘 + 41𝑘 𝐼=

𝑉𝑠 = 31,96 𝑚𝐴 250 𝐼𝐷 = 𝑘(𝑉𝑔𝑠 − 𝑉𝑡ℎ)2 10,9 − 𝑉𝑔𝑠 2 = 0,085(𝑉𝑔𝑠 − 168)2 250 10,9 − 𝑉𝑔𝑠 = 21,26𝑉𝑔𝑠 2 − 11,4 𝑉𝑔𝑠 + 3517 21,25 𝑉𝑔𝑠 2 − 70,4𝑉𝑔𝑠 + 24,8 = 0 Despejamos y obtuvimos ID 𝐼𝐷 =

𝑉𝑠 = 31,96𝑚𝐴 250 𝑉𝑏 = 10,9 𝑉 𝑉𝑔𝑠 = 𝑉𝑔 − 𝑉𝑠 𝑉𝑠 = 10,9 − 𝑉𝑔𝑠 𝑉𝑠 = 7,90 𝑉 𝑉𝑔𝑠 = 2,91 ≥ 𝑉𝑡ℎ 𝑉𝑔𝑠 = 0,40 Utilizamos las siguientes formulas con el fin de obtener la ganancia: 𝑔𝑚 = 2√𝑘 ∗ 𝐼𝐷 𝐴 𝑔𝑚 = 0,10𝑣 2 𝑔𝑚(150) 𝐴𝑣2 = 1 + 𝑔𝑚(150) 𝑣 𝐴𝑣2 = 0,9375 𝑣 Multiplicamos las dos ganancias para obtener la ganancia total y además reemplazamos valores en la fórmula de potencia para obtenerla también: 𝐼𝐷 =

Tabla. 5. Datos circuito multitapa.

Por último se simuló el circuito usando el modelo del transistor 2N7000 o 2N7002 en M1 y M2, utilizando una tensión de entrada senoidal de 10mV́ p de amplitud y 5 KHz de frecuencia, el gráfico reportado muestra la tensión de salida y la tensión de entrada en el tiempo, además del punto de operación del circuito.

𝑣

𝐴𝑣 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝐴𝑣1 ∗ 𝐴𝑣2 = −31,41𝑣 𝑃 = 𝑉𝐷𝐷 (𝐼𝐷1 + 𝐼𝐷2 + 𝐼 ) = 0,8724𝑤 Fig. 15. Grafica relación entrada y salida.

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Finalmente diseñamos e implementamos 3 circuitos que permitían hacer girar un motor: 

Para el primer montaje se utilizó un transistor 2N3904 y un relé de 5V.

Fig. 19. Circuito Push Pull. Motor sentido negativo.

Fig. 16. Driver motor con relé. Motor sentido negativo.

Se pudo observar que el voltaje de entrada es igual al que alimenta al motor y los transistores permiten que con una señal de baja corriente se pueda poner en marcha el motor 

Puente H

Fig. 17. Driver motor con relé. Motor sentido positivo. Fig. 20. Puente H. Motor sentido negativo.

Escogimos un voltaje suficiente para encender el relé. 

El segundo es un circuito push pull:

Fig. 21. Puente H. Motor sentido positivo. Fig. 18. Circuito Push Pull. Motor sentido positivo.

Se pudo observar que una señal en alto digital en los Nmos permite su activacion y un flujo de corriente en los mismos, por otro lado como estan conectados los transistores permite un flujo unico de corriente para controlar la direccion y la velocidad es posible controlarla con la intermitencia del voltaje de entrada.

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IV. CONCLUSIONES 1. Notamos que los transistores bjt o mosfet puedes adaptarse a diferentes tipos de configuración para poder garantizar una corriente o un voltaje dependiendo de lo que podamos necesitar. 2. Se notó la necesidad dela hoja de datos (Datasheet) Para poder hacer un análisis teórico del funcionamiento de los transistores (tanto los BJT como los Mosfet). 3. Observamos que los transistores pueden trabajar en diferentes estados, esto varía dependiendo de los voltajes que están alimentando a las terminales de cada transistor. 4. Al comparar los transistores Mosfet, con los BJT, se caracterizan principalmente porque en la compuerta Gate no presenta una corriente, pero si un voltaje. 5. Notamos que la polarización en transistores es de gran utilidad debido a que esto puede ayudar a eliminar una fuente de voltaje reemplazándola por una o más resistencias debido al método de polarización. 6. Aprendimos a desarrollar teóricamente circuitos multitapa. 7. Se observó el funcionamiento de transistores como amplificadores multitapa. 8. Aprendimos que si se controlara el motor directamente con una señal de corriente es posible dañar el instrumento que genera la señal o simplemente que no mueva el motor.

REFERENCIAS [1]

SVOBODA James y DORF Richard. Introduction to Electric Circuits. 9th ed. New Jersey: Wiley, 2014.

[2] HAYT William, KEMMERLY Jack y BURBIN Steven. Engineering Circuit Analysis. 8th ed. New York: McGraw-Hill, 2012. [3] ALEXANDER Charles y SADIKU Matthew. Fundamentos de circuitos el ´ ectricos. 3rd ed. New York: McGraw-Hill, 2006.

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