• Author / Uploaded
• Jaime Castro

Citation preview

Manual de prácticas de laboratorio Dispositivos Electrónicos I c/lab

Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Actualización del manual para plan 2002

Ciudad, Sonora;

Diciembre de 2010

ITSON – Instituto Tecnológico de Sonora 5 de Febrero 818 Sur. C.P. 85000 Ciudad Obregón, Sonora, México.

Manual de laboratorio Dispositivos electrónicos I c/lab

Este ejemplar es una actualización del manual registrado en septiembre de 2006.

Autores versión 2006. M.C. Javier Pérez Ramírez Dr. José Antonio Beristáin Jiménez Ing. José Juan Solís Granados

Las modificaciones e integración de nuevas prácticas desarrolladas son avaladas por la academia de dispositivos electrónicos. Responsable de la academia: González D. C. Griselda. Miembros de la academia: Beristáin J. José A., García G. Silvia L., García S. Fernando J.

ÍNDICE

Práctica 1. Utilización del equipo básico de medición para el laboratorio de dispositivos electrónicos I ……………………………………………………………………………………………..

1

Práctica 2. Rectificación y filtrado capacitivo …………………………………………………………

9

Práctica 3. Zener: Regulación de voltaje ……………………………………………………….........

15

Práctica 4. Circuitos con diodos ……………………………………………………………………….

19

Práctica 5. Características del diodo semiconductor ………………………………………….........

23

Práctica 6. Curvas características del transistor bipolar en configuración emisor común ………

27

Práctica 7. Polarización de transistores de unión bipolar …………………………………………..

32

Práctica 8. Medidas de bondad de amplificadores con transistores de unión bipolar a frecuencias medias …..................................................................................................................

38

Práctica 9. Diseño de amplificador emisor común …………………………………………….........

44

Práctica 10. Diseño de amplificador colector común ………………………………………….........

50

Práctica 11. Curvas características del transistor de efecto de campo (FET) ……………………

55

Práctica 12. Polarización y comportamiento en pequeña señal de amplificadores con transistor de efecto de campo (FET) ………………………………………………………………….

59

Práctica 13. Diseño del amplificador fuente común ………………………………………...

65

iii

PRÓLOGO El manual de laboratorio de dispositivos electrónicos I tiene como principal objetivo reforzar los conocimientos en la materia de Dispositivos Electrónicos I, del plan de estudios 2002, del programa de Ingeniería Electrónica. En éste se presentan prácticas demostrativas en las cuales el estudiante va conociendo de manera física los dispositivos vistos en clase de teoría además de ir reconociendo los rangos de voltaje y corriente en que dichos dispositivos operan. El manual que a continuación se presenta es una actualización del manual liberado en septiembre de 2006, el cual fue actualizado con el fin de adecuarse a las necesidades de cambio de la materia, así como para integrar también prácticas de diseño de amplificadores de una etapa a frecuencias medias con transistores de unión bipolar y transistores de efecto de campo. La tabla 1 plasma el contenido de este manual y estipula en qué semana del semestre se deberá realizar cada una de las prácticas contenidas en el mismo, así también se puede ver que son cuatro las prácticas asignadas al manejo del diodo, cinco al manejo del transistor de unión bipolar (BJT) y tres para el transistor de efecto de campo (FET). Tabla 1. Asignación de tiempos para prácticas del manual de laboratorio de dispositivos electrónicos I. Semana Prácticas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Práctica 1. Utilización del equipo básico de medición para el laboratorio de dispositivos electrónicos I Práctica 1. Utilización del equipo básico de medición para el laboratorio de dispositivos electrónicos I Práctica 2. Rectificación y filtrado capacitivo Práctica 3. Zener: Regulación de voltaje Práctica 4. Circuitos con diodos Práctica 5. Características del diodo semiconductor Práctica 6. Curvas características del transistor bipolar en configuración emisor común Práctica 7. Polarización de transistores de unión bipolar Práctica 8. Medidas de bondad con amplificadores de unión bipolar a frecuencias medias Práctica 8. Medidas de bondad con amplificadores de unión bipolar a frecuencias medias Práctica 9. Diseño de amplificador emisor común Práctica 10. Diseño de amplificador colector común Práctica 11. Curvas características del transistor de efecto de campo (FET) Práctica 12. Polarización y comportamiento en pequeña señal de amplificadores con transistor de efecto de campo (FET) Práctica 13. Diseño del amplificador fuente común

PRÁCTICA I UTILIZACIÓN DEL EQUIPO BÁSICO DE MEDICIÓN PARA EL LABORATORIO DE DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS I

OBJETIVOS: -Medir voltaje y corriente con el multímetro. -Medir amplitud y frecuencia de una señal de voltaje con el osciloscopio. ID Pre_reporte Trabajo en equipo Revisión Evaluación

2

ANTECEDENTES TEÓRICOS MULTÍMETRO El multímetro es un instrumento que permite medir, en su forma más elemental, los siguientes parámetros en un circuito eléctrico: Resistencia, Voltaje de AC y de CD, Corriente de AC y de CD. Actualmente existen multímetros que tienen la capacidad de hacer algunas otras pruebas como: medición de temperatura, medición de frecuencia, prueba de continuidad, prueba de diodos, medición de beta de transistores bipolares, medición de capacitancia, medición de ancho de pulso entre otras. En este caso se realizarán mediciones sólo de resistencia, corriente y voltaje. 1. Medición de Resistencias Precaución Para evitar la posibilidad de causar daños al medidor o al equipo sometido a prueba, desconecte el suministro eléctrico del circuito y descargue todos los condensadores de alta tensión antes de medir la resistencia. La resistencia es una oposición al flujo de corriente. La unidad de resistencia es el Ohm (Ω). El medidor mide la resistencia al enviar una pequeña corriente a través del circuito. Los rangos de resistencias del medidor pueden ir desde 500,00 Ω, 5,0000 kΩ, 50,000 kΩ, 500,000 kΩ, 5,000 MΩ y 30,000 MΩ. Para medir la resistencia, configure el medidor tal como se muestra en la figura 1.1.

Figura 1.1 Medidor de resistencia. Tenga en cuenta lo siguiente al medir la resistencia:  Dado que la corriente de prueba del medidor fluye a través de todos los caminos posibles entre las puntas de las sondas, el valor medido de una resistencia en un circuito frecuentemente es diferente al valor nominal de la resistencia.  Los conductores de prueba pueden agregar un error de 0.1 Ω a 0.2 Ω en las mediciones de resistencia. Para probar los conductores, junte las dos puntas de las sondas entre si y lea la resistencia de los conductores. Si es necesario, puede pulsar el botón REL Δ para restar automáticamente este valor.  La función de resistencia puede producir suficiente tensión para polarizar directamente las uniones de diodos de silicio o de transistores, haciéndolas conductoras. Para evitar esto, no utilice el rango de 30 MΩ para las mediciones de resistencia en el circuito. 2. Medición de tensión La tensión es la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos. La polaridad de la tensión de c.a. (corriente alterna) varia con el tiempo, mientras que la polaridad de c.d. (corriente continua) es constante con el tiempo.

3 Al medir tensión, el medidor actúa aproximadamente como una impedancia de 10 MΩ (10,000,000 Ω) en paralelo con el circuito. Este efecto de carga puede causar errores de medición en circuitos de alta impedancia. En la mayoría de los casos, el error es despreciable (0.1 % o menos) si la impedancia del circuito es de 10 kΩ (10,000 Ω) o menos. 3. Medición de tensión c.a. El medidor presenta los valores de tensión c.a. como lecturas rms (raíz cuadrada de la media de los cuadrados, valor eficaz). El valor rms es la tensión c.d. equivalente que disiparía la misma cantidad de calor en una resistencia que la tensión medida. El medidor realiza lecturas de valor eficaz (rms) real, que son exactas para ondas sinusoidales y otras formas de ondas (sin compensación en c.d.), tales como ondas cuadradas, ondas triangulares, y ondas escalonadas para en el caso de tensión CA con compensación de c.d., utilice ac+dc =V. 4. Medición de tensión c.d. Configure el medidor para medir tensión c.d. tal como se muestra en la figura 1.2. Todas las funciones o modos de los botones pulsadores están disponibles para la lectura estándar de tensión c.d.

Figura 1.2. Forma de medir tensión en AC y en CD 5. Medición de corriente Precaución Para evitar la posibilidad de daños al medidor o al equipo sometido a prueba, verifique los fusibles del medidor antes de medir la corriente. Utilice las terminales, la función y el rango apropiados para las mediciones. No coloque nunca las sondas a través de (en paralelo con) cualquier circuito o componente cuando los conductores estén enchufados en las terminales de corriente. La corriente es el flujo de electrones a través de un conductor. Para medir corriente, debe abrir el circuito sometido a prueba y luego colocar el medidor en serie con el circuito. Para medir la corriente alterna o continua, proceda como sigue: a) Desconecte el suministro eléctrico al circuito. Descargue todos los condensadores de alta tensión. b) Inserte el conductor de prueba negro en la terminal COM. Inserte el conductor de prueba rojo en la terminal de entrada apropiado para el rango de medición. Nota: Para evitar fundir el fusible de 440 mA del medidor, utilice la terminal mA/μA solamente si está seguro que la corriente es mayor que 400 mA. a) Si está utilizando la terminal A, situé el selector giratorio en mA/A. Si está utilizando la terminal mA/μA sitúe el selector giratorio en μA para valores de corriente menores de 5000 μA (5mA) o en mA/A para valores de corriente superiores a 5000 μA. b) Abra el circuito que desea probar. Toque la sonda roja al lado más positivo de la interrupción; toque la sonda negra al lado más negativo de la interrupción. La inversión de los conductores producirá una lectura negativa, pero no causará daños al medidor.

4 c) Conecte el suministro eléctrico al circuito y luego lea la pantalla. El colocar sondas a través de (en paralelo con) un circuito alimentado eléctricamente, con un conductor enchufado en la terminal de corriente, puede causar daños al circuito que se está probando y fundir el fusible del medidor. Esto puede suceder porque la resistencia a través de las terminales de corriente del medidor es muy baja, de modo que el medidor actúe como corto circuito. 6. Medición de corriente alterna Para medir corriente alterna, configure el medidor tal como se muestra en la figura 1.3.

Figura 1.3 Medición de corriente.

7. Medición de corriente continua Para medir corriente continua, configure el medidor tal como se muestra en la figura 1.4.

Figura 1.4 Medición de corriente.

8. OSCILOSCOPIO El osciloscopio es básicamente un dispositivo de visualización gráfica que muestra señales eléctricas variables en el tiempo. El eje vertical Y, representa el voltaje; mientras que el eje horizontal X, representa el tiempo. Si se tiene una señal con un número “n” de cuadros de pico a pico y el conmutador “V/DIV” en una escala determinada el valor de la señal será el resultado de multiplicar la escala del conmutador por el número de cuadros. Vpp= n x V/Div Básicamente se puede hacer lo siguiente con el osciloscopio: • Determinar directamente el periodo y el voltaje de una señal. • Determinar indirectamente la frecuencia de una señal. • Determinar que parte de la señal es c.d. y cual c.a. • Localizar averías en un circuito. • Medir la fase entre dos señales.

5 •

Determinar qué parte de la señal es ruido y como varía éste en el tiempo.

Los osciloscopios también pueden ser analógicos ó digitales. Los primeros trabajan directamente con la señal aplicada, ésta una vez amplificada desvía un haz de electrones en sentido vertical proporcionalmente a su valor. En contraste los osciloscopios digitales utilizan previamente un conversor analógico-digital (A/D) para almacenar digitalmente la señal de entrada, reconstruyendo posteriormente esta información en la pantalla. Los mandos más usuales del osciloscopio son el On/Off, control de intensidad del haz de electrones, el enfoque, centrado horizontal y vertical, amplitud vertical y horizontal, selector de base de tiempos y sincronismo exterior o interior. CONTROLES En la figura 1.5 se presenta un osciloscopio básico.

Figura 1.5. Osciloscopio básico.

Este es un osciloscopio de dos trazos. Igualmente la mayoría de la información explicada aquí puede ser aplicada a uno de un trazo. Los controles básicos son: BRIGHT: Girando esta perilla se ajusta la intensidad de la pantalla. FOCUS: Girando esta perilla se ajusta el foco del trazo sobre la pantalla. GRAT: Ilumina una cuadrícula o grilla que facilita la visualización de la señal. TRACE: Selecciona la señal a trazar en la pantalla. TRIGGER: Selecciona la fuente de disparo. TRIGGER LEVEL: Selecciona el punto de la onda utilizado para disparar. TIMEBASE: Selecciona la velocidad con la que el trazo se desplaza en la pantalla. INPUT LEVEL: Ajusta el nivel de la entrada. POS (Position): Establece la posición del trazo en la pantalla. BRIGHT Controla la intensidad lumínica (o brillo) de la pantalla. Esto es muy útil ya que los osciloscopios (a diferencia de las computadoras) no disponen de protector de pantalla. Entonces, si deja un trazo brillante en la pantalla durante tiempos muy largos, puede suceder que esa imagen quede "quemada" sobre la superficie fluorescente del tubo quedando permanentemente visible, incluso con el instrumento apagado. Si desea (o necesita) dejar el instrumento conectado mucho tiempo con una señal estática será necesario bajar el brillo del trazo al mínimo para evitar este inconveniente. Cabe aclarar que la superficie quemada está en el interior del tubo, no pudiendo ser reparado de ninguna forma. FOCUS Este mando permite ajustar la definición del trazo. Un trazo fuera de foco se ve difuso y poco definido, mientras que un trazo enfocado correctamente permite una clara y rápida visualización. GRATICULE Este control permite iluminar una escala (o grilla) que facilita la medición de la señal visualizada. Usualmente es una película plástica colocada sobre la superficie del tubo la cual está dibujada con

6 una matriz de cubos de 1 cm2, generalmente con líneas punteadas. Comparando la matriz con la forma de onda, es posible efectuar la medida tanto de tensión como de frecuencia. Si el control se apaga la grilla no será visible. TRACE También llamado "CHANNEL" este mando permite seleccionar el trazo a mostrar en la pantalla. Estas son las opciones más usuales junto con su explicación: A: Sólo se muestra el trazo de la señal A. B: Sólo se muestra el trazo de la señal B. A+B: Se muestran tanto la señal A como la señal B (en dos trazos). ADD: Las dos entradas de señal son sumadas y mostradas en un único trazo. TRIGGER LEVEL Un trazo que exhibe una forma de onda sin el uso del TRIGGER (o disparador) se desplaza de forma similar que lo hace un sistema de TV cuando su sistema de traba horizontal está desajustado. El trigger detiene el trazo de una señal, hasta que una determinada parte de la forma de onda aparezca. Esto produce que el tubo se borre exactamente en el punto adecuado de la forma de onda para que ésta parezca estacionaria o quieta en un mismo lugar, facilitando su comprensión. Este control, por consiguiente, permite establecer el punto de la forma de onda donde debe actuar. TRIGGER SELECTOR Selecciona el origen de la señal de disparo. La mayoría de los instrumentos de dos trazos pueden ser disparados tanto desde el canal A como el B. Algunos más complejos, disponen de la facilidad de disparar desde una señal externa, en cuyo caso un conector (usualmente rotulado TRIGGER) permite ingresar dicho impulso. TIMEBASE La velocidad con la que se dibuja un trazo en la pantalla del tubo puede ser ajustada con el control TIMEBASE. Éste está calibrado en segundos (s), milisegundos (ms = 0.001 segundos) o microsegundos (μs = 0.000001 segundos). INPUT LEVEL Ajusta el nivel de entrada de cada canal permitiendo que el trazo complete la totalidad de la pantalla. Este es un selector calibrado en Voltios por centímetro (V/cm). Dado que este mando se ajusta de acuerdo a la magnitud de la señal de entrada, un ajuste sobre el rango hará que la señal mostrada sea imperceptible, pero ajustarlo bajo la escala puede dañar los circuitos de entrada del instrumento. De todas formas los equipos actuales disponen de protección contra este tipo de inconvenientes. POSITION Establece la posición vertical del trazo en la pantalla permitiendo facilitar la lectura de la señal. Por ejemplo, puede establecer de cero voltios a la posición central de la grilla para medir c.a., o al pié de la pantalla para medir c.d.

MATERIAL Y EQUIPO EMPLEADO: 1

Fuente de c.d.

1

Osciloscopio

1

Multímetro

1

Generador de funciones

1

Tableta experimental

-

Resistencias (1 kΩ (1), 1.5 kΩ (1), 2 kΩ (1))

1

Capacitor 10nF

7 DESARROLLO EXPERIMENTAL 1. MEDICIONES CON EL MULTÍMETRO 1.1 Mediciones con el Óhmetro.

1.1.1 Conecte 3 resistencias en serie de cualquier valor y compruebe que la resistencia total es la suma de las 3 resistencias. 1.1.2 Ahora conecte las mismas resistencias en paralelo y compruebe que la resistencia 1 total es R TOTAL  1 1 1   R1 R 2 R 3 1.2. Mediciones de corriente 1.2.1. Alimente 3 resistencias en paralelo con una fuente de voltaje de c.d. y entonces compruebe la ley de corrientes de Kirchhoff.

1.2.2 Coloque el generador de funciones en una señal senoidal a una frecuencia de 1 KHz y con voltaje de 1.41 VRMS ayúdese del multímetro para realizar esta actividad. 1.2.3 Alimente 3 resistencias en paralelo con una fuente de voltaje de c.a. con las características del punto 1.2.2 y entonces compruebe la ley de corrientes de Kirchhoff para valores eficaces de corriente. 1.2.4 Arme un circuito RC en paralelo; mida los valores de la resistencia y del capacitor. Use la fuente del punto 1.2.2 y con los valores medidos calcule los valores de corriente en cada elemento. Ponga a funcionar el circuito y mida dichas corrientes. Compare los valores medidos contra los calculados y saque sus conclusiones. 1.3. Mediciones de voltaje 1.3.1 Alimente 3 resistencias en serie con una fuente de voltaje de c.d. y compruebe la ley de voltajes de Kirchhoff. 1.3.2 Alimente 3 resistencias en serie con una fuente de voltaje de c.a. (con las características del inciso 1.2.b) y compruebe la ley de voltajes de Kirchhoff para valores eficaces de voltaje.

1.3.3 Arme un circuito RC en serie; mida los valores de la resistencia y del capacitor. Use la fuente del punto 1.2.2 y con los valores medidos calcule los valores de voltaje en cada elemento. Ponga a funcionar el circuito y mida dichos voltajes. Compare los valores medidos contra los calculados y saque sus conclusiones. 2. MEDICIONES CON EL OSCILOSCOPIO 2.1. Calibración del osciloscopio (Para esta actividad pida apoyo al instructor). 2.2. Haciendo uso del generador de funciones haga que se visualice en el osciloscopio: a) Una señal cuadrada de 5 Vpp a una frecuencia de 10 kHz b) Una señal senoidal de 20 mVpp a 10 Hz y c) una señal triangular de 2 Vpp a 1 MHz. d) Anote sus observaciones 2.3. Arme un circuito RC como el que se muestra en la figura 1.8.

8

Figura 1.8 Circuito RC 2.4. Con el canal 1 del osciloscopio en la fuente de excitación y con el canal 2 en el capacitor haga un barrido en frecuencia comenzando desde 100 Hz hasta 1 MHz y anote que le pasa a la magnitud y a la fase del voltaje en el capacitor. Llene la tabla I sin cambiar la amplitud del voltaje del generador. Tabla I. Respuesta en frecuencia del filtro RC

Frecuencia (Hz) 100 300 500 700 1K 3K 5K 7K 10K 30K 50K 70K 100K 300K 500K 700K 1M

Vin (Volts)

Vo (Volts)

Ángulo (Grados)

Ganancia (dB)

2.5. A partir de los datos obtenidos en la tabla I construya las gráficas de Bode de Magnitud y Fase y anote sus observaciones.

PRÁCTICA II RECTIFICACIÓN Y FILTRADO CAPACITIVO

OBJETIVOS: -

Comprobar el funcionamiento del rectificador de media onda. Comprobar el funcionamiento del rectificador de onda completa. Comprobar el funcionamiento del filtrado capacitivo.

PRE- REPORTE: -

Realizar la práctica mediante simulación.

ID Pre_reporte Trabajo en equipo Revisión Evaluación

10

ANTECEDENTES TEÓRICOS La rectificación es el proceso de convertir una señal alterna (c.a.) en una que está restringida en una sola dirección (c.d.). Dependiendo de las características de la alimentación en corriente alterna que emplean, la rectificación se clasifica en: -

monofásicos: cuando están alimentados por una fase de la red eléctrica

-

trifásicos: cuando se alimentan por tres fases.

Por otro lado se pueden clasificar como: -

media onda: cuando sólo se utiliza uno de los semiciclos de la corriente.

-

onda completa: cuando ambos semiciclos son aprovechados.

El tipo más básico de rectificador es el rectificador monofásico de media onda, constituido por un único diodo entre la fuente de alimentación alterna y la carga, ver figura 3. Existen distintas configuraciones para rectificadores de onda completa, tal como: el rectificador de onda completa con puente y el rectificador de onda completa con derivación central. La figura 4 muestra un rectificador de onda completa con derivación central. La figura 2.1 muestra el comportamiento de los rectificadores de media onda y onda completa con derivación central. Va

Vm

- Vm

- Vm Señal en el secundario del transformador

Vm

Va

VL

Señal en el secundario con respecto a la derivación central

Vm

Señal rectificada (media onda) en la carga

VL

Señal rectificada (onda completa) en la carga

Vr

Vr

- Vm

- 2Vm Señal pico inversa en el diodo

(a)

Señal pico inversa en el diodo

(b)

Figura 2.1 Señales en el circuito rectificador (a) media onda (b) onda completa.

La tabla I muestra el comportamiento en voltaje y corriente para los rectificadores de media onda y onda completa, considerando el modelo de caída de voltaje constante. El valor del voltaje pico inverso (PIV) en el diodo es muy importante en el diseño de rectificadores, se define al PIV como la máxima caída de voltaje entre ánodo y cátodo cuando el diodo se encuentra en estado de no conducción. El voltaje inverso que soporten los diodos utilizados en el rectificador debe ser mayor a éste, con el fin de que no entre en la región de avalancha zener.

11 Tabla I. Comportamiento en voltaje y corriente de rectificador de media onda y onda completa.

Media Onda Vm/2 V L(rms)/RL 0.318(Vm-VT) VL(DC)/RL

VL(rms) I L(rms) VL(DC) IL(DC)

Onda completa Vm/√2 V L(rms)/RL 0.636(Vm-VT) VL(DC)/RL

Nota: VT es el voltaje umbral del diodo.

La salida de un rectificador es una señal de c.d. pulsante, la cual al ser pasada por un filtro tiende a mantenerse en un nivel de c.d. constante. Existen diversos tipos de filtro: capacitivo, inductivo, inductivo-capacitivo. A la forma de onda debida al proceso de carga y descarga del capacitor se conoce como voltaje de rizo, el cual depende del valor de la constante de tiempo (RC).

INFORMACIÓN IMPORTANTE Siempre que se desee observar en el osciloscopio una señal no referenciada a tierra física se deberá flotar el osciloscopio. Flotar un osciloscopio significa que dicho instrumento no se ha conectado a la tierra común del sistema, para ello se deberá eliminar con un adaptador tres a dos, la conexión a la tercer terminal del tomacorrientes. Si desea observar dos señales simultáneamente asegúrese que el punto de referencia de ambas terminales de prueba del osciloscopio esté conectado al mismo punto, además de haber flotado el osciloscopio.

MATERIAL Y EQUIPO EMPLEADO: 1

Transformador 110 a 24 Vrms, 0.5 A.

1

Osciloscopio

1

Multímetro

1

Tableta experimental

2

diodos 1N4007

-

Resistencias (520 (1), 680 (1), 1 k (1), 1.5 k (1))

-

Capacitores a 25 Volts (470 μF (1), 1000 μF (1))

DESARROLLO EXPERIMENTAL 1. RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA

1.1 Alimentar el transformador con el voltaje de línea de acuerdo a la figura 2.2. Utilizando el multímetro medir la tensión alterna del primario y del secundario de los puntos señalados en la tabla II. Anote sus resultados y calcule la relación de transformación. NOTA: Asegúrese utilizar la escala adecuada de voltaje en la medición de tensión.

12

Figura 2.2 Circuito de alimentación del transformador Tabla II. Voltajes rms en el transformador sin carga

Vi (voltaje rms en el primario) Va (voltaje rms en una parte del secundario) Vb (voltaje rms en una parte del secundario) Vab (voltaje rms en secundario) Relación de transformación 1.2 Ver en el osciloscopio las señales Va, Vb y Vab en el secundario del transformador de la figura 2.2 y anotar los valores pico de voltaje en la tabla III. NOTA: No tocar la línea de 120 Vac durante la medición. Tabla III. Voltajes pico en el secundario del transformador sin carga

Va (voltaje pico entre el punto A y tierra) Vb (voltaje pico entre el punto B y tierra) Vab (voltaje pico en secundario – entre los puntos A-B) 1.3 Arme el circuito de la figura 2.3 en la tableta experimental. 1.4 Vea en el osciloscopio las señales Va y VL, grafique estas señales. ¿Existe una diferencia en forma y amplitud en las señales de voltajes Va y VL?, ¿A qué se debe esta diferencia? NOTA: No tocar la línea de 120 Vac durante la medición.

1.5 Calcule el voltaje y corriente de CD en la carga a partir de los valores picos antes medidos. Mida con el multímetro la corriente y voltaje de CD en la carga, compare los valores arrojados por las mediciones con los datos calculados. 1.6 Vea en el osciloscopio la señal de voltaje en el diodo de la figura 2.3. Asegúrese que solo se esté utilizando una punta de prueba del osciloscopio. ¿A qué se debe la forma de esta señal?

120 VAC

+ Va -

+ 1 KΩ

VL -

Figura 2.3 Circuito rectificador de media onda

13 2. RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA

2.1 Arme el circuito de la figura 2.4 en la tableta experimental. 2.2 Vea en el osciloscopio la señal de voltaje en VL, grafique esta señal. ¿Qué diferencia hay entre las señales VL de la figura 2.3 y de la figura 2.4?, ¿Cuándo conduce el diodo D1 y cuándo conduce el diodo D2, con respecto a Va, Vb, y Vi? 2.3 Vea en el osciloscopio las señales de voltaje en los diodos de la figura 2.4. Asegúrese que solo se esté utilizando una punta de prueba del osciloscopio. ¿A qué se debe la forma de estas señales? D1 + 120 VAC

Vi -

+ Va -Vb +

+ 1 KΩ D2

VL -

Figura 2.4 Circuito rectificador de onda completa

2.4 Agregue un capacitor de 470 μF en paralelo a la carga, tal como se muestra en la figura 2.5, mida el voltaje rizo pico a pico Vrpp y la corriente de la carga IL. 2.5. Varíe la resistencia de carga R de acuerdo a lo especificado en la tabla IV. Mida para cada caso el voltaje de rizo pico a pico Vrpp y la corriente de carga IL. 2.6 Evalúe el valor teórico de Vrpp de acuerdo con la siguiente ecuación Vrpp 

Vp fCR

,

donde: Vp  12 * 2  0.7 y f=120 Hz (rectificador de onda completa) y compare sus resultados.

2.7. Repita los pasos 1.10 y 1.11 sustituyendo el capacitor de 470 μF por uno de 1000 μF. Anote sus resultados en la tabla IV. 2.8. Haga un análisis cuantitativo y cualitativo de las diferencias entre los resultados teóricos y prácticos y trate de justificarlas científicamente. Comente al respecto.

Figura 2.5. Fuente de CD no regulada

14

Tabla IV. Voltaje de rizado y corriente de carga de la fuente sin regulación C

470uF

1000uF

R Vrpp IL Vrpp IL VL

1 kΩ Valor Teórico

Valor Medido

1.5 kΩ Valor Teórico

Valor Medido

820 Ω Valor Teórico

Valor Medido

560 Ω Valor Teórico

Valor Medido

PRÁCTICA III ZENER: REGULACIÓN DE VOLTAJE

OBJETIVOS:

 Obtener la curva característica del diodo Zener.  Utilizar el diodo zener como regulador de voltaje.

PRE- REPORTE:  Simulación de los circuitos contenidos en la práctica.  Realizar tablas I y II mediante datos simulados. ID Pre_reporte Trabajo en equipo Revisión Evaluación

16

ANTECEDENTES TEÓRICOS El diodo zener es un diodo de silicio que se ha construido para que funcione en las zonas de rupturas, también es llamado diodo de avalancha o de ruptura, son la parte esencial para lograr la regulación de tensión. La figura 3.1 muestra el símbolo de este elemento.

Figura 3.1 Símbolo del diodo zener.

La figura 3.2 muestra la curva característica del diodo zener, en donde observar en la parte derecha su comportamiento en polarización directa y en la parte izquierda su comportamiento en polarización inversa. Son tres las características que diferencian a los diversos diodos zener entre si: a) Tensión de polarización inversa, conocida como tensión zener (Vz), que es la tensión a la que el zener va a mantenerse constante. b) Corriente mínima de funcionamiento (Iz(mín)), es la corriente mínima requerida para asegurar que la tensión zener se mantenga constante. c) Potencia máxima de disipación, puesto que la tensión es constante, nos indica el máximo valor de la corriente (Iz(máx)), que puede soportar el Zener.

Figura 3.2 Curva característica del diodo zener.

MATERIAL Y EQUIPO EMPLEADO: 1

Fuente de c.d.

1

Transformador 110 a 24 Vrms, 0.5 A.

1

Multímetro

1

Tableta experimental

1

Termómetro digital

1

Secadora

2

Diodos 1N4001

17 1

Diodo Zener 1N4732A (4.7 volts, 1 Watt)

1

Diodo Zener 1N4742A (12 Volts, 1Watt)

-

Resistencias a 1W (68 (1), 150 (1), 220 (1), 330 (1), 470 (1), 560 (1), 1K (1))

-

Capacitores a 25 Volts (1000μF (1))

DESARROLLO EXPERIMENTAL 1. Implemente el circuito de la figura 3.3 utilizando el diodo 1N4732A y evalúe la característica IDZ vs VDZ utilizando como referencia los datos propuestos en la tabla I. Grafique sus resultados y compare el comportamiento del diodo zener con el del diodo rectificador. ¿Son semejantes en polarización directa? ¿En qué difieren en polarización inversa?

b)

a)

Figura 3.3 Circuito para obtener la curva característica del diodo zener. a) Polarización inversa. b) Polarización directa. NOTA: Para polarizar inversamente el diodo deberá conectar la terminal positiva de la fuente de c.d. variable a la resistencia y la terminal negativa al ánodo del diodo, como muestra la figura 3.3a), esto le ayudará a tomar las lecturas de voltaje para corriente negativas de la tabla I. Para medir la corriente coloque en serie el multímetro entre la resistencia y el diodo, poniendo la punta positiva hacia la resistencia y la negativa hacia el diodo. Para polarizar directamente el diodo deberá conectar la terminal negativa de la su fuente de c.d. variable a la resistencia y la positiva al ánodo del diodo, como muestra la figura 3.3b). La polarización directa la utilizará para medir los voltajes y corrientes positivos en el diodo.

Tabla I. Datos para construir la curva característica del diodo Zener VDZ(V) IDZ (mA)

0.3 -15

-10

-5

-4

-3

-2

-1

-0.5

-0.2

0

0.4 0.5

1

2

5

10

2. Ajuste la corriente en polarización inversa del diodo Zener a -10 mA y mida el voltaje correspondiente VDZ. Caliente el diodo Zener con una secadora de cabello y observe cómo varía la corriente cuando se mantiene constante VDZ. Comente al respecto. 3. Arme el circuito de la figura 3.4 en la tableta experimental (utilice el diodo zener de 12V, 1W). Mida el voltaje de salida VL y la corriente en el diodo zener para cada uno de los valores propuestos de RL en la tabla II.

15

18 4. Verifique que el circuito regule, esto es, que el voltaje de salida permanezca aproximadamente constante. Calcule para cada caso la corriente en la carga y la corriente a través de RS ¿cómo es el valor de esta corriente? 5. Evalúe la resistencia dinámica del diodo zener en la zona de regulación, así como el porcentaje de regulación para variaciones de la carga para las corrientes mínima y máxima de dicha carga. ¿Es un buen regulador? ¿Cuál es la corriente máxima de carga para la cual el circuito regula? RS=68 IRs

W IZ

+

IL

Cs=1000uF RL

VL

_ 120 : 24 VRMS

Figura 3.4 Fuente de CD regulada con diodo zener Tabla II. Voltaje de carga y corriente zener de la fuente regulada

RL VL IZ IL= VL/ RL IRs= IZ + IL

150 Ω

220 Ω

330 Ω

470 Ω

560 Ω

PRÁCTICA IV CIRCUITOS CON DIODOS

OBJETIVOS: - Armar y probar circuitos con diodos, como los son: circuito cortador, circuito fijador y circuito doblador de voltaje.

PRE-REPORTE: - Mediante simulación obtener el voltaje de salida para los circuitos fijador, cortador y multiplicador contenidos en la práctica.

ID Pre_reporte Trabajo en equipo Revisión Evaluación

20

ANTECEDENTES TEÓRICOS En ocasiones de acuerdo a la aplicación es necesario acondicionar la señal, para que ésta no exceda de un nivel de voltaje determinado, para que tenga o elimine un determinado Offset o para incrementar el nivel de voltaje. El recortador también conocido como limitador, es un circuito que básicamente es la extensión de un rectificador de media onda, en el cual una parte la señal de salida está limitada a un voltaje. Existen dos tipos de recortadores, en paralelo o en serie. El recortador en paralelo el diodo está conectado a través de las terminales de salida, mientras que en el recortador en serie el diodo forma un circuito serie con las terminales de salida. El circuito fijador desplaza las formas de onda de salida a un nivel de c.d. diferente, por lo que también se le conoce como circuito de corrimiento de nivel, se clasifican en: de corrimiento fijo y de corrimiento variable. Los circuitos de corrimiento fijo desplazan la señal un nivel ±Vm con respecto al nivel cero, para los de corrimiento variable se introduce una batería para desplazar el voltaje de salida una magnitud ±Vm±V1 con respecto al nivel cero. Un multiplicador de voltaje utiliza un circuito fijador seguido de un detector de voltajes pico para elevar el voltaje de entrada en un factor dos, tres, cuatro o más.

INFORMACIÓN IMPORTANTE Siempre que se desee observar en el osciloscopio una señal no referenciada a tierra física se deberá flotar el osciloscopio. Flotar un osciloscopio significa que dicho instrumento no se ha conectado a la tierra común del sistema, para ello se deberá eliminar con un adaptador tres a dos, la conexión a la tercer terminal del tomacorrientes. Si desea observar dos señales simultáneamente asegúrese que el punto de referencia de ambas terminales de prueba del osciloscopio estén conectadas al mismo punto, además de haber flotado el osciloscopio.

MATERIAL Y EQUIPO EMPLEADO: 1

Osciloscopio

1

Multímetro

1

Generador de funciones

1

Tableta experimental

2

Diodos 1N4001

-

Resistencias (47  (2), 1k (1), 10 k (2), 47 k (1), 100 k (1))

-

Capacitores (1 μF (1), 10 μF (1), 100 μF(2) )

DESARROLLO EXPERIMENTAL 1. CIRCUITO CORTADOR

1.1 Arme el circuito de la figura 4.1 en la tableta experimental. 1.2 Asegúrese de que el osciloscopio esté en c.d. para fijar el nivel de cero volts.

21 1.3 Conecte un generador con una señal de forma de onda senoidal, frecuencia de 1 kHz y amplitudes primero de 0.2 Vp-p, después 0.5 Vp-p y 10 Vp-p. Dibuje estas formas de onda y compare contra las que deberían salir teóricamente. Anote las observaciones que crea necesarias. 1.4 Repita el paso anterior usando R2=1 kΩ y R2=100 kΩ comente sobre las observaciones hechas. 1.5 Con el voltaje de 10 V aplicado en el paso anterior, aumente la frecuencia hasta 100 kHz y grafique la forma de onda. Comente los resultados.

Figura 4.1 Circuito cortador

2. CIRCUITO FIJADOR

2.1 Arme el circuito de la figura 4.2 en la tableta experimental. 2.2 Conecte un generador de forma de onda senoidal con periodo T= 1 milisegundo y C= 1 μF (electrolítico) y R= 100 kΩ. Grafique la forma de onda del voltaje en la salida (a través del diodo). Varíe la amplitud de Vs. Anote sus observaciones. 2.3 Asegúrese que el osciloscopio esté en c.d. para fijar el nivel de cero volts. 2.4 Repita el paso 2.2 invirtiendo el diodo. Anote sus observaciones. 2.5 Explicar por qué se le llama circuito fijador.

Figura 4.2 Circuito fijador

3. MULTIPLICADOR DE VOLTAJE

3.1 Construya el circuito de la figura 4.3. Flote el osciloscopio 3.2 Mida y anote el voltaje en la carga RL verificando la duplicación de voltaje. 3.3 Grafique la forma de onda del voltaje en RL y mida su rizado. 3.4 Mida y grafique el voltaje de los condensadores C1 y C2. Mida el rizado respectivo. 3.5 Mida la corriente efectiva (rms) a través de los diodos.

22 RS=47

+ D1

+ C1 _

100μF

Vs

RL=47K

Vs=VmSen(wt)

D2

+ C2 _

Vo=2Vm

100μF

RS=47

Figura 4.3 Circuito multiplicador

_

PRÁCTICA V CARACTERÍSTICAS DEL DIODO SEMICONDUCTOR

OBJETIVOS: -

Obtener prácticamente las curvas características del diodo rectificador.

PRE- REPORTE: -

Simulación de los circuitos contenidos en la práctica. Realizar tablas I y II mediante datos simulados.

ID Pre_reporte Trabajo en equipo Revisión Evaluación

24

ANTECEDENTES TEÓRICOS El diodo es un dispositivo semiconductor que permite el paso de la corriente eléctrica en una sola dirección, está constituido mediante la unión de dos materiales semiconductores (tipo p y tipo n). La figura 5.1 muestra el símbolo del diodo donde la terminal positiva recibe el nombre de ánodo y la terminal negativa de ánodo.

Figura 5.1 Símbolo del diodo rectificador

Idealmente se dice que el diodo se comporta como un interruptor, en donde para un voltaje menor de cierto potencial se modela como un circuito abierto y para un voltaje mayor a éste se modela como un corto circuito. El diodo real tiene un comportamiento mostrado en la figura 5.2, de donde se observa que consta de dos regiones llamadas polarización directa e inversa. La región de polarización directa para un pequeño incremento de voltaje, el incremento de corriente es grande; mientras que en la región de polarización inversa para un aumento de pequeño de voltaje el incremento de la corriente inversa es pequeño.

Figura 5.2 Curva característica del diodo

La relación de la corriente y el voltaje en el diodo se establece mediante la ecuación VD nVT

iD  I 0 (e  1) , Donde: n factor de idealidad exponencial VT  voltaje térmico

Un diodo puede ser sometido a tensiones en polarización directa de señales de c.d. o c.a., la relación del voltaje entre la corriente del diodo determinarán la resistencia que éste presente. Cuando la corriente y voltaje introducidos son niveles de corriente alterna la resistencia suele denominarse “resistencia dinámica” y puede obtenerse a través del diD nV diD recíproco de , esto es rd  T . Si la expresión es evaluada en el punto de dvD iD dvD operación se obtiene la resistencia estática o de c.d.

25

MATERIAL Y EQUIPO EMPLEADO: 1

Fuente de c.d.

2

Multímetros

1

Osciloscopio

1

Generador de funciones

1

Tableta experimental

1

Termómetro digital

1

Secadora

-

Resistencias a ¼ W (1 k (1), 4.7 k (1), 10 k (1))

1

Diodo 1N4001

1

Capacitor 10 μF

DESARROLLO EXPERIMENTAL 1. Utilice el circuito de la figura 5.3 para evaluar la característica ID contra VD del diodo 1N4001 o equivalente, utilizando como referencia los valores propuestos en la tabla I (es probable que requiera cambiar el valor de R para tener mayor exactitud en polarización directa para corrientes entre 0 y 1 mA). Utilice el circuito de la figura 5.3 b) para obtener las primeras cuatro mediciones de corriente. R=1 kΩ

R=1 kΩ

+

+ ID

ID VD

VD

-

-

b)

a)

Figura 5.3 Circuito para obtener las curvas características del diodo semiconductor. a)Polarización directa. b)Polarización inversa Tabla I. Datos para construir la curva característica del diodo

VD(V) ID (mA)

-20

-15

-10

-5

0

0.3

0.4

0.5 1

2

5

10

15

20

2.- Grafique los valores de ID contra VD , ampliando la escala entre 0.4 y 0.8 Volts para polarización directa, y entre 0 y 10 mA para polarización inversa. ¿Cómo es la curva en polarización directa?, ¿Se parece a la de una función exponencial? ¿Cómo es la curva en polarización inversa y de qué valor son las corrientes?

26 3.- Grafique la curva ln(ID) contra VD en polarización directa únicamente. ¿Se parece la curva a una recta? Si lo anterior se cumple, interpole la mejor recta y, por similitud de las ecuaciones ln(ID) = ln(Io) + VD/(nVT) Y

=

Yo + mX

aproximación de la ecuación del diodo en polarización directa ecuación de una recta

evalúe los parámetros Io y nVT. Utilice el valor de la temperatura ambiente (mídala) y obtenga el valor de VT de la ecuación VT = KT/q

donde K = 1.38x10-23 J/K constante de Boltzman T = 273+ T( en grados centígrados) Q = 1.6x10-19 C carga del electrón

Evalúe, de sus resultados, el factor n del diodo de Si. ¿Es congruente con lo especificado en sus textos? Comente al respecto. 4. Ajuste la corriente en el diodo polarización directa a 10 mA y mida el voltaje correspondiente VD. Caliente el diodo utilizando una secadora de cabello y observe cómo varía la corriente cuando mantiene el voltaje constante. Comente al respecto. 5.- Utilice el circuito de la figura 5.4 para evaluar la resistencia dinámica del diodo. Para esto: a) Ajuste la corriente de polarización del diodo a 2 mA, utilice para esto la fuente de cd variable incluida en la figura 5.4. b) Ajuste la fuente de señal a una frecuencia de 1000 Hz y una amplitud suficiente para observar en el diodo una senoide de 20 mVp-p. c) Mida el voltaje pico-pico de señal alimentada al circuito. d) Evalúe la resistencia dinámica rd utilizando las ecuaciones de los divisores de voltaje correspondientes. e) Evalúe la resistencia dinámica a partir de la ecuación del diodo, y a partir de la gráfica exponencial obtenida experimentalmente. Compare los resultados obtenidos. ¿Es congruente el modelo teórico del diodo?, comente. f) Repita para ID = 4 mA. 10 µF R=4.7 kO R=10 kO F= 1 kHz

Figura 5.4 Circuito para obtener la resistencia dinámica del diodo.

PRÁCTICA VI CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL TRANSISTOR BIPOLAR EN CONFIGURACIÓN EMISOR COMÚN

OBJETIVOS: - Obtener la curva característica del colector del transistor bipolar, en su configuración emisor común. - Obtener la curva característica de base del transistor bipolar, en su configuración emisor común.

PRE-REPORTE: -

Investigar funcionamiento de BJT. Llevar hojas de especificaciones del BJT utilizado en la práctica. Realizar toda la práctica mediante simulación.

ID Pre_reporte Trabajo en equipo Revisión Evaluación

28

ANTECEDENTES TEÓRICOS La notación y símbolos utilizados para la configuración emisor común con transistores PNP y NPN se muestran en la figura 6.1.

Figura 6.1 a) Transistor NPN, b) Transistor PNP.

En la figura 6.2 se observa la característica de colector (salida), donde se relacionan la corriente de colector, el voltaje colector-emisor y la corriente de base.

Figura 6.2 Característica de colector

Las tres regiones básicas de interés: activa, de saturación y de corte se observan en la figura 6.2. Note la magnitud en microamperios de IB en comparación de los miliamperios de IC. En la región activa, la unión de colector-emisor está polarizada inversamente, mientras que la unión base-emisor está polarizada directamente. Esta región se puede emplear para amplificación de corriente, voltaje o potencia. La región de corte se encuentra por debajo de la curva para IB=0, donde se observa una corriente de colector ICE0.

29 La región de saturación se encuentra a la izquierda del voltaje colector-emisor de saturación, donde se observan pequeñas variaciones en el voltaje VCE para grandes cambios en la corriente de colector IC. En la figura 6.3 se observa la característica de base (entrada) donde se muestra la corriente de base IB contra el voltaje base-emisor (VBE) para un rango de valores de voltaje colectoremisor. Como se observa en la figura, las variaciones en la salida VCE, tienen poco efecto en la entrada (VBE – IB).

Figura 6.3 Característica de base

Algunas características que podemos encontrar en las hojas de datos que proporcionan los fabricantes de transistores, las cuales tienen el objetivo de proporcionar información acerca de las condiciones en las que ha de operar el dispositivo así como también sus características físicas. Entre las especificaciones para el NPN 2N2222 más necesarias para realizar esta práctica son las siguientes: (ver figura 6.4) 1.- Aplicaciones: Amplificador lineal y como interruptor. 2.-Empaque (TO-18) y simbología 3.- Ganancia de corriente directa β: mínima 75 en Ic=10mA y VCE=10V.

Figura 6.4 Descripción del encapsulado del 2N2222

MATERIAL Y EQUIPO EMPLEADO: 1

Fuente de c.d.

2

Multímetros

1

Tableta experimental

1

Transistor 2N2222

30 -

Resistencias a 1/4W (100 kΩ (1), 560 Ω (1))

DESARROLLO EXPERIMENTAL 1. CARACTERÍSTICAS DE SALIDA.

1.1 Arme el circuito de la figura 6.5.

Figura 6.5 Circuito para obtener la característica de salida.

1.2 Ajuste la fuente de voltaje VBB para obtener los valores de IB que se muestran en la tabla 1. Para cada valor de IB, varíe la fuente de voltaje VCC y mida la corriente de colector (IC) y el voltaje colector-emisor (VCE) y anótelos en la tabla I. Tabla I. Característica de la terminal de colector. VCC(V)

IB1=0

IC

VCE

IB2=10 μA

IC

VCE

IB3=20 μA

IC

VCE

IB4=30 μA

IC

VCE

IB5=40 μA

IC

VCE

IB6=50 μA

IC

VCE

IB6=60 μA

IC

VCE

0 0.2 0.5 0.7 1 2 5 8 12 15

2. CARACTERÍSTICAS DE BASE

2.1 Utilizando el circuito de la figura 6.5; siempre con VBB inicialmente en cero ajuste la fuente de voltaje VCC para obtener los valores de VCE que se muestra en la tabla II.

31 2.2 Para cada valor de VCE, varíe la fuente VBB con los valores que se observan en la tabla II y mida la corriente de base (IB) y el voltaje base emisor (VBE) y anótelos en la tabla. Tabla II. Características de la terminal de base. VBB(V) VCE= 8V VCE= 1V VBE IB VBE IB 0

VCE= 15V IB

VBE

0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 3.0 5.0

ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS 1.- Graficar la característica de colector (IC – VCE), para cada una de las corrientes de base (IB), con los datos obtenidos en la tabla I. 2.- Identifique en la gráfica, las regiones: activa, de corte y de saturación del transistor. 3.- En la región activa, ¿qué ocurre con la corriente de colector (IC), al variar el voltaje colector emisor (VCE)?. 4.- Cuál es el valor de la corriente de colector (IC), cuando la corriente de base es cero (IB = 0)?. 5.- ¿Cuánto vale el voltaje colector-emisor de saturación (VCEsat)?. 6.- Compare la característica de colector obtenida experimentalmente, con la esperada teóricamente. Comente. 7.- Graficar la característica de base (IB – VBE), para cada uno de los voltajes colector emisor (VCE), con los datos obtenidos en la tabla II. 8.- Compare la característica de base obtenida experimentalmente con la esperada teóricamente. Comente. 9.- Tome algunos valores de IC con su respectiva IB donde el VCE > 0.5V y calcule la hFE para llenar la tabla III. Tabla III. Valores de IC e IB para obtener la hFE. IC IB hFE

10.- Grafique hFE – IB con la tabla del paso 9.

PRÁCTICA VII POLARIZACIÓN DE TRANSISTORES DE UNIÓN BIPOLAR

OBJETIVOS: -

Observar los diferentes circuitos de polarización de transistores de unión bipolar (BJT). Obtener la recta de carga de salida.

PRE – REPORTE: - Realizar la simulación de los tres circuitos de polarización y obtener las tablas correspondientes.

ID Pre_reporte Trabajo en equipo Revisión Evaluación

33

ANTECEDENTES TEÓRICOS Debido a la gran cantidad de aplicaciones y diferentes maneras de utilizar los transistores, sería imposible aprender cada una de las áreas de aplicación. En lugar de ello, se estudia la operación de circuitos más fundamentales y una vez con este conocimiento, se puedan analizar circuitos más complejos. Para utilizar los transistores de unión bipolar (BJT) para amplificación de voltaje o corriente o como elementos de control (on - off), es necesario primero polarizar el dispositivo. El objeto de la polarización es lograr una condición de corriente y voltaje denominada punto de operación (punto quiescente o punto Q). En el diseño de circuitos con transistores, se escoge un punto de operación o reposo (Q), para que el transistor funcione en un margen determinado y para asegurar que se cumpla la linealidad (y a veces una excursión lineal máxima) y no sobrepase la potencia máxima. En la figura 7.1 se muestra el circuito de polarización y en la figura 7.2 la característica de colector de salida, para la configuración emisor común. Como se observa en la característica, el punto de reposo se encuentra en la región de mayor linealidad, con una buena excursión simétrica. RC

VCC

+

RB

VBB

IC

+

VBE -

IB

RE

VCE

IE

Figura 7.1 Circuito de polarización emisor común. IC(mA) VCC RC+RE

ICQ

Q

VCEQ

VCC

Figura 7.2 Características de colector.

VCE(volts)

34

MATERIAL Y EQUIPO EMPLEADO 1

Fuente de c.d.

2

Multímetros

1

Tableta experimental

2

Transistores 2N2222

1

Década de resistencias

-

Resistencias a ¼W (1kΩ (1), 100Ω (1), 8.2kΩ (1), 100kΩ (1))

DESARROLLO EXPERIMENTAL CIRCUITOS DE POLARIZACIÓN

1. Implemente el circuito de la figura 7.3.

Figura 7.3 Circuito de polarización emisor común.

2. Varíe el voltaje de VBB para obtener cada valor de IB mostrado en la tabla I, midiendo y anotando la corriente IC y el voltaje VCE para cada IB, según la tabla. 3. Cambie el transistor por otro del mismo tipo, y repita el paso anterior. Tabla I. Mediciones para el circuito de polarización de la figura 7.3.

VBB

IB(µA) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 50 60

Q1 IC

Q2 VCE

hFE

VBB

IC

VCE

hFE

35 4. Implemente el circuito de la figura 7.4.

Figura 7.4 Circuito de polarización con resistor de emisor.

5. De acuerdo a los valores de RB que se muestra en la tabla II, mida los valores de corriente de base (IB), de colector (IC) y el voltaje colector-emisor (VCE), y anótelos en la misma tabla. Vcc= 12 V, RC = 1K, RE= 100. Tabla II. Mediciones para el circuito de polarización de la figura 7.4.

RB (K) 47 100 220 270 390 470 560 680 820 1000 1800

IB

IC

VCE

hFE

6. Implemente el circuito de la figura 7.5.

Figura 7.5 Circuito de polarización por medio de un divisor de voltaje.

36 7. De acuerdo a los valores que se muestra en la tabla III, mida los valores de corriente de base (IB), de colector (IC), de voltaje colector-emisor (VCE), y de voltaje en R1 (VBB) y anótelos en la misma tabla. Vcc= 12 V, RC = 1K, RE= 100, R2= 8.2 k. Tabla III. Mediciones para el circuito de polarización de la figura 5.

R1 () 470 560 680 820 1000 1200 1500 1800 2200 2700

VBB

IB

IC

VCE

hFE

ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS 1. ¿Se tuvieron variaciones al cambiar de transistor? 2. ¿En cuál circuito las variaciones de IBQ, ICQ y VCEQ fueron menores al cambiar el parámetro indicado en su respectiva tabla? 3. En los circuitos de polarización realizados, ¿Fueron los resultados experimentales los esperados? Comente. 4. Grafique IC contra VCE, así como hFE contra IC para los tres casos. 5. De acuerdo a los datos anotados en las tablas, ¿cuáles son los valores óptimos para cada circuito? NOTA: Anote un punto de operación para cada tabla.

SUGERENCIAS Para el desarrollo de esta práctica, se puede emplear una década de resistencias, si se opta por usar ésta, es recomendable que se verifique que la década esté funcionando correctamente, para ello habrá que seleccionar algún valor de resistencia, luego habrá que verificar con el multímetro que el valor seleccionado en la década sea muy semejante al que se esté midiendo. Para realizar esta prueba habrá que tener la década aislada del circuito, ya que si se hace cuando la década este conectada con el circuito, es muy probable que se midan valores de resistencias diferentes a los que se seleccionen. Es recomendable que no se midan resistencias cuando un circuito esté alimentado y que se desconecten los multímetros que estén realizando esta función ya que las lecturas tomadas serán erróneas, y se pueden ver afectadas otras mediciones que se estén tomando en el mismo circuito. Se debe recordar que a través del llenado de las tres tablas se está obteniendo la recta de carga de salida de cada circuito de polarización, donde al variar el parámetro indicado en cada una de ellas se estará pasando por las tres regiones de operación del transistor. Para conocer la  (hFE) de cada transistor, se podrá hacer mediante el siguiente circuito de polarización de la figura 7.6 donde la RB = 470 kΩ. El cual se deberá llevar a todas las prácticas que sea necesario.

37

RB

IB

IC

RC =1kΩ

+ VCC= 12V

+

+

-

VCE

VBE - IE

RE =100 Ω

Figura 7.6 Circuito de polarización para obtener la hFE.

PRÁCTICA VIII MEDIDAS DE BONDAD DE AMPLIFICADORES CON TRANSISTORES DE UNIÓN BIPOLAR A FRECUENCIAS MEDIAS

OBJETIVOS: -

Comprobar el funcionamiento de las configuraciones emisor común, base común y colector común. Determinar parámetros híbridos.

PRE – REPORTE: -

Obtener medidas de bondad de las tres configuraciones mediante simulación.

ID Pre_reporte Trabajo en equipo Revisión Evaluación

39

ANTECEDENTES TEÓRICOS Cuando un transistor opera en la región de activación se comporta como un circuito lineal por lo cual es conveniente hacer un modelo con un circuito lineal el cual nos facilita el análisis y diseño de los amplificadores. El modelo más utilizado es el de la configuración emisor común mostrado en la figura 8.1. hie

ib

+ hrevce + Vbe -

hfeib

hoe

+ Vce -

a)

+ Vbe -

ib

hie hfeib

+ Vce -

b)

Figura 8.1 a) Modelo lineal completo del BJT para la configuración emisor común b) Modelo simplificado.

El circuito equivalente de parámetros híbridos es muy útil por numerosas razones: aísla los circuitos de entrada y salida, siendo considerada su interacción por las dos fuentes controladas; las dos partes del circuito tienen una forma tal, que es fácil distinguir los circuitos de alimentación y carga. Los parámetros en general son diferentes para cada configuración y pueden distinguirse añadiendo una letra de identificación como segundo índice, por ejemplo hoe es la admitancia de salida para la configuración emisor común. MATERIAL Y EQUIPO EMPLEADO 1 Fuente de c.d.

1

Osciloscopio con 2 puntas de prueba

1

Generador de funciones

1

Multímetro digital

1

Tableta Experimental

2

Transistores 2N2222A

-

Condensadores a 25 volts (2.2 μf (1), 4.7 μf (1), 330 μf (1))

-

Resistencias a 0.5 W: 3.9 kΩ (3), 3.3 kΩ (1), 10 kΩ (1), 27 kΩ (1), 47 kΩ (2), 470 kΩ (1))

DESARROLLO EXPERIMENTAL EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS A PEQUEÑA AMPLIFICADOR EN CONFIGURACIÓN EMISOR COMÚN

SEÑAL

DEL

1.- Identifique las terminales emisor (E), base (B) y colector (C) de los transistores y verifique, utilizando el multímetro en la posición de prueba de diodos, que operen correctamente (pida ayuda al instructor en caso necesario). Mida e identifique

40 cuidadosamente cada una de las resistencias a utilizar y verifique que su valor este dentro de la tolerancia especificada. Realice lo mismo con los condensadores especificados. 2.- Implemente el circuito de la figura 8.2, mida el voltaje y la corriente de polarización (ICQ, VCEQ), los cuales deberán corresponder a (2.02 mA, 4.2V), anote la corriente medida en la tabla I y corrobore sus resultados teóricamente. Considere un transistor 2N2222A, VCC= 20V, RC=RL=Re=3.9 kΩ, R1=37 kΩ=(10 kΩ+27 kΩ), R2=47 kΩ, Ce=330 μf, Ci=Cs=2.2 μf.

Figura 8.2. Amplificador en configuración emisor común

4.- Aplique señal al circuito para tener en la salida una señal de 1 Vpp sin distorsión medida en el osciloscopio y mida la señal en la base del transistor vi (coloque una resistencia Rx de 470 kΩ en serie con el generador para provocar un divisor de voltaje con la impedancia de entrada del amplificador, como muestra la figura 8.3).

Figura 8.3 Circuito para reducir la señal en la base del transistor

Una vez visualizada la señal de 1Vpp en la carga, anote en la tabla I la ganancia en voltaje lograda, para ello utilice la ecuación: V 

v o 1 Vpp  vi v i pp

Tabla I. Comportamiento de la ganancia en voltaje del amplificador emisor común con capacitor de desvío

R1 37 kΩ 37 kΩ 27 kΩ 10 kΩ

RL 3.9 kΩ ∞ 3.9 kΩ 3.9 kΩ

ICQ

ΔV

Zi

Zo

Δi

41 5.- Quite la resistencia de carga del circuito y realice nuevamente el paso 4, calcule la ganancia y anótela en la tabla I. 6. Coloque nuevamente la resistencia de carga, haga R1 de 27 kΩ y realice nuevamente el paso 4. Anote en la tabla I, la corriente de colector de polarización (c.d) y ganancia en voltaje. Vuelva a hacer lo anterior con R1 de 10kΩ. 7.- Vuelva a colocar la resistencia R1 de 37 kΩ y ajuste el nivel de vo a 1 Vpp. Haga RL=0 (cortocircuítela con un cable) y mida de nuevo vi cuando la fuente de señal está conectada al circuito. Desconecte ahora la fuente de señal y mida vf. Calcule despejando de las ecuaciones del divisor de tensión, el valor de la impedancia de entrada de la configuración (Zi). v f  Zi vi  Zi  R f  R X 8.- Cortocircuite el condensador Ci a tierra e inserte una resistencia de 3.9 kΩ en serie con el generador para alimentar al circuito por la salida, tal como muestra la figura 8.4. Aplique señal al circuito de manera que vc= 2 Vpp. Desconecte la fuente y mida vf. Calcule la impedancia de salida de la configuración. v f  Zo vC  Zo  R f  3900

Figura 8.4 Circuito para determinar la impedancia de salida para la configuración emisor común

9.- Deduzca el valor de la ganancia de corriente del circuito para cada caso de la tabla I, de la expresión  i  V

Zi RL

EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS A PEQUEÑA AMPLIFICADOR EN CONFIGURACIÓN BASE COMÚN.

SEÑAL

DEL

10.- Implemente el amplificador en configuración base común mostrada en la figura 8.5. Considere un transistor 2N2222A, VCC= 20V, RC=RL=Re=3.9 kΩ, R1=37 kΩ=(10 kΩ+27 kΩ), R2=47 kΩ.

42

Figura 8.5 Amplificador en configuración base común NOTA: La resistencia Rf de 3,300 Ω se utiliza al evaluar la ganancia de voltaje Δv e impedancia de entrada, para proteger a la fuente de señal (esto es por el valor tan reducido de la impedancia de entrada de la configuración base común).

11.- Observe que el punto de operación sigue siendo el mismo que para la configuración emisor común. Obtenga las medidas de bondad (Δv , Zi , Zo , y Δi) siguiendo el procedimiento realizado para la configuración emisor común, haciendo los cambios pertinentes para la terminal de entrada. Anote sus resultados en la tabla II. Tabla II. Comportamiento de la ganancia en voltaje del amplificador base común con capacitor de desvío

R1 37 kΩ 37 kΩ 27 kΩ

RL 3.9 kΩ ∞ 3.9 kΩ

ICQ

ΔV

Zi

Zo

Δi

Las ecuaciones utilizadas serán: v V  o ve v f Zi ; una vez medido ve y vf despeje Zi. ve  R f  3300  Zi V f  Zo ; despeje Zo al evaluar vc = 6V y vf . Note que para el cálculo de la Vc  R f  3900  Zo impedancia de salida únicamente se está colocando una resistencia de 3.9 kΩ entre el generador y el capacitor Cs, recuerde que para obtener la impedancia de salida, deberá quitar la resistencia se 3300 Ω y colocar hacia tierra el capacitor Ce.

i  V

Zi RL

43 EVALUACIÓN DE LOS PARÁMETROS A PEQUEÑA AMPLIFICADOR EN CONFIGURACIÓN COLECTOR COMÚN.

SEÑAL

DEL

12.- Implemente el amplificador en configuración colector común mostrado en la figura 8.7. Considere un transistor 2N2222A, VCC= 20V, RC=RL=Re=3.9 kΩ, R1=37 kΩ=(10 kΩ+27 kΩ), R2=47 kΩ. Vcc

330 μF Rc

R2

Generador de Rf funciones

10 kΩ

2.2 μF +

Ci

2.2 μF

vf

+ R1

vi

Co RL Vo

Re

-

Figura 8.7 Amplificador en configuración colector común

13.- Observe que el punto de operación sigue siendo el mismo que para la configuración emisor común. Obtenga las medidas de bondad (Δv , Zi , Zo , y Δi) siguiendo el procedimiento realizado para la configuración emisor común, recuerde hacer los cambios pertinentes para la terminal de salida. Anote sus resultados en la tabla III. Tabla III. Comportamiento de la ganancia en voltaje del amplificador colector común con capacitor de desvío

R1 37 kΩ 37 kΩ 10 kΩ

RL 3.9 kΩ ∞ 3.9 kΩ

ICQ

ΔV

Zi

Zo

Δi

Las ecuaciones correspondientes a la configuración colector común son: V 

h fe (R e R L ) h ie  h fe (R e R L )

Zi  R BB (h ie  h fe (R e R L )) Zo  R e (h ib  (R BB (10000  R f ))) NOTA: Observe que al evaluar la impedancia de entrada e incluso la ganancia de voltaje. Se inserta en serie con el generador de señales una resistencia de 10 kΩ para poder evaluar Zi utilizando el principio de divisores de tensión. Cuando se evalúa la impedancia de salida Ro se debe poner en serie con el generador una resistencia de 680 Ω para evitar que ésta se dañe debido al valor tan bajo que se encontrará.

PRÁCTICA IX DISEÑO DE AMPLIFICADOR EMISOR COMÚN

OBJETIVOS: -

Establecer métodos para el diseño del amplificador emisor común.

PRE – REPORTE: - Realizar el diseño del amplificador contenido en la práctica. - Obtención de las medidas de bondad del amplificador mediante simulación.

ID Pre_reporte Trabajo en equipo Revisión Evaluación

45

ANTECEDENTES TEÓRICOS Cuando se analiza un amplificador con transistores se conocen los valores de los componentes, tal que de acuerdo a la configuración analizada es posible determinar el comportamiento a pequeña señal del amplificador. En contraparte cuando se diseña un amplificador se parte de un comportamiento a pequeña señal deseado y con base en ello se obtienen los valores de los componentes requeridos para lograr dicho comportamiento. Los requerimientos de diseño establecen el comportamiento deseado, el cual puede describirse a partir de una ganancia en voltaje o corriente específica, potencia de salida deseada, o bien una determinada impedancia de entrada o salida; el parámetro especificado dependerá de la aplicación que se le dará al amplificador a diseñar. Es común que dentro de los requerimientos de diseño se conozca el valor de la resistencia de carga. Una vez determinado los requerimientos que deberá cumplir el amplificador a diseñar se procede a determinar la configuración de diseño y el tipo de transistor a utilizar. En cuanto a la configuración de diseño, cabe mencionar que la configuración emisor común amplifica voltaje y corriente, la base común sólo amplifica voltaje y el colector común sólo amplifica corriente. Así también recordemos que con el transistor BJT es posible lograr mayores ganancias, y por otro lado el FET tiene una muy alta impedancia de entrada y un mayor ancho de banda. No existe un método único de diseño, por lo que de acuerdo a configuración a diseñar y los requerimientos se puede establecer un procedimiento propio, siempre y cuando se cumpla con las ecuaciones que establecen el comportamiento a pequeña y gran señal. Así también podemos ver que dentro del proceso de diseño de amplificadores de baja potencia, se calculan primero los valores de los elementos resistivos para que se cumpla un comportamiento a pequeña señal y finalmente se calculan los elementos capacitivos de existir para que el amplificador cumpla con un determinando ancho de banda. El proceso de diseño descrito en la presente práctica se refiere a un amplificador emisor común con capacitor de desvío y polarizado mediante divisor de voltaje con una sola fuente de c.d., presentando únicamente un procedimiento para cumplir con un comportamiento a pequeña señal y considerando que se trabaja al amplificador dentro de su ancho de banda. Este tipo de amplificador emisor común es aplicado cuando se requiere una ganancia en voltaje del orden de los cientos, en caso de requerir una ganancia en voltaje en orden de las decenas o unidades se sugiere agregar una resistencia en emisor que no este desviada.

MATERIAL Y EQUIPO EMPLEADO 1

Fuente de c.d.

1

Osciloscopio

1

Generador de señales

1

Multímetro

1

Tableta experimental

1

Transistor 2N2222A

-

Capacitores a 25 volts (10 μF (2), 330 μF (1))

46 -

Resistencias de ¼ de watt según diseño

II. DESARROLLO EXPERIMENTAL 1. Diseñe un amplificador emisor común con capacitor de desvío, como el de la figura 9.1, para una carga de 4.7 kΩ y ganancia en voltaje de 200.

Figura 9.1 Amplificador emisor común con capacitor de desvío

PROCEDIMIENTO DE DISEÑO

a) Para máxima transferencia de potencia haga RC=RL b) Una vez conocida la ganancia requerida y la carga, a través de la ecuación que define la ganancia en voltaje de la configuración emisor común con capacitor de desvío, calcule la ICQ requerida para que el amplificador se comporte de acuerdo a las características de diseño descritas. Considere n = 1 y VT = 26 mV.  V   g m RC R L 

;

gm 

I CQ nVT

c) Considerando la amplitud de la señal de salida pico calcule el VCEQ, busque en las hojas de especificaciones el VCEsat para la ICQ de diseño.

VCEQ  VP  VCEsat ; V p  0.9  I CQ  Rca d) Proponga Vcc= 1.8 * ICQ * RC , ajustándolo al siguiente valor entero. e) Determine RE mediante la siguiente ecuación: I CQ 

VCC Rca  Rcd

Rca  RC R L



VCC 1.5 RC  R E

y R cd  R E  R C

f) Ajuste RE al siguiente valor comercial (menor que RE calculada en caso de requerirse). Con esta RE recalcule VCC  I CQ ( RE  RC )  VCE

47 g) Determine RBB asegurándose que el sistema sea estable, busque en las hojas de especificaciones la β del transistor utilizado. R BB  0.1β min R E ;

 min  0.7  tip

h) A través de la ecuación de la malla de entrada encuentre VBB V BB  V BE  I CQ ( R E 

R BB



)

i) Determine R1 y ajústela al valor comercial mayor más cercano, que pueda implementar con no más de 2 resistencias. R1 

RBB V 1   BB  VCC

  

j) Finalmente determine R2 V R2  R1   CC   VBB

    1   

2. Verifique experimentalmente que el punto de operación ICQ, VCEQ corresponda al valor de diseño. 3. Aplique señal al circuito para tener en la salida una señal de 1 Vpp sin distorsión medida en el osciloscopio y mida la señal pico a pico en la base del transistor vi (es posible que requiera colocar una resistencia en serie con el generador para provocar un divisor de voltaje con la impedancia de entrada del amplificador, como muestra la figura 9.2. Determine RX con base en el divisor de voltaje formado por (RX+Rf) y la impedancia de entrada del amplificador; además del nivel de señal requerido en la base. Generador de funciones

Rf

V

RX

Ci

Conectar a la base del transistor

f

Figura 9.2 Circuito para reducir la señal en la base del transistor

Una vez visualizada la señal de 1 Vpp en la carga, calcule la ganancia de voltaje del circuito de la ecuación: V 

v o 1 Vpp  vi v i pp

4. Haga RL=0 (cortocircuítela con un cable) y mida de nuevo vi cuando la fuente de señal esta conectada al circuito. Desconecte ahora la fuente de señal y mida vf. Calcule el valor de la impedancia de entrada del amplificador Zi, despejando de las ecuaciones del divisor de tensión:

48

vi 

v f Zi Zi  R f  R X

Conociendo el valor de la impedancia de entrada del amplificador encuentre hie. Z i  R BB hie

5. Cortocircuite el condensador Ci a tierra e inserte una resistencia en serie con Rf de 4.7 kΩ, como muestra la figura 7.3. Aplique señal al circuito de manera que vc= 2 Vpp. Desconecte la fuente y mida vf.

Figura 7.3 Circuito para determinar la impedancia de salida para la configuración emisor común

6. Calcule la impedancia de salida del amplificador mediante v f Zo vc  Zo  R f  4.7k Calcule la admitancia de salida del transistor hoe despejando de la ecuación Zo  R c (1/h oe ) 7. De la expresión de ganancia de voltaje del circuito

V 

vo  vi

 h fe (R C R L

1 ) h oe

h ie

y con los resultados experimentales obtenidos de Δv, hie y hoe, evalúe la ganancia de corriente a pequeña señal hfe del transistor para este circuito. Compare su resultado con el valor especificado por el fabricante. V 8. De la expresión hie  T ; donde VT = 25.8 mV, deduzca el valor de η del transistor. I BQ 9. De la expresión Z  i  V i RL Deduzca el valor de la ganancia de corriente del circuito.

49

SUGERENCIAS Para todos los diseños que se haga es recomendable se simulen antes de realizarlos prácticamente; el paquete computacional más adecuado para hacerlo es el Pspice para Windows. Para verificar que el diseño funcionó adecuadamente, los valores de corrientes y voltaje de polarización logrados simulada y prácticamente (IC y VCE) deberán ser muy parecidos a los que se obtengan de forma teórica. Así también el comportamiento práctico a pequeña señal deberá estar acorde a las especificaciones de diseño.

PRÁCTICA X DISEÑO DE AMPLIFICADOR COLECTOR COMÚN

OBJETIVOS: -

Establecer métodos para el diseño del amplificador colector común.

PRE – REPORTE: -

Elaborar diseño y comprobar su funcionamiento mediante simulación.

ID Pre_reporte Trabajo en equipo Revisión Evaluación

51

ANTECEDENTES TEÓRICOS En general el proceso de diseño de un amplificador implica el obtener los valores adecuados de los elementos para que este tenga un comportamiento a pequeña señal determinado según la aplicación. Usualmente un amplificador colector común o también llamado seguidor emisor, es aplicado para acoplar impedancias, lo que significa que su ganancia en voltaje deseada tenderá a ser unitaria. Con el requerimiento a pequeña señal de ΔV unitaria y el conocimiento de la resistencia de carga, a través del procedimiento de diseño descrito en esta práctica, se puede obtener los valores de los elementos resistivos que constituirán el amplificador colector común. Es importante señalar que el diseño aquí expuesto considera que la señal de entrada estará dentro del ancho de banda, por lo que no se dimensionan los elementos capacitivos. La selección del transistor BJT a utilizar dependerá de la ganancia en corriente deseada y/o potencia a disipar.

I. MATERIAL Y EQUIPO EMPLEADO 1

Fuente de c.d.

1

Osciloscopio

1

Generador de señales

1

Multímetro

1

Tableta experimental

1

Transistor 2N2222A

-

Capacitores a 50 volts (2-10μF)

-

Resistencias de ¼ de watt según diseño

DESARROLLO EXPERIMENTAL 1. Diseñe un amplificador colector común, como el de la figura 10.1, para una carga de 4.7 kΩ, tal que se tenga una salida de 10 Vpp, y sea estable a cambios de β.

Figura 10.1 Amplificador colector común

52 PROCEDIMIENTO DE DISEÑO

a) Obtener la ICQ requerida para que el amplificador se comporte de acuerdo a las características de diseño descritas. Para máxima transferencia de potencia haga Re=RL, para la obtención de ICQ utilice la ecuación que determina la máxima amplitud pico-pico para la configuración Vopp  1.8  I CQ  Rca ; Rca  Re RL NOTA: el amplificador colector común usualmente es utilizado como acoplador de impedancias, de tal forma se desea que la ganancia en voltaje sea aproximadamente la unidad, para ello verifique que la ICQ obtenida haga que la hie sea por lo menos diez veces menor que (β+1)(Re║RL) b) Calcular VCEQ considerando que el voltaje pico es la mitad del voltaje pico-pico de salida deseada. Busque en las hojas de especificaciones el VCEsat para la ICQ de diseño. VCEQ  VP  VCEsat ;

Vp=Vpp/2

c) Calcule VCC mediante el análisis de cd en la malla de salida VCC  I CQ ( Re )  VCEQ d) Para que el sistema sea estable a cambios de β calcule RBB de acuerdo a la siguiente ecuación RBB  0.1 Re e) A través de la ecuación de la malla de entrada encuentre VBB V BB  VBE  I CQ ( Re 

R BB



)

f) Determine R1 y ajústela al valor comercial mayor más cercano, que pueda implementar con no más de 2 resistencias. R1 

RBB V 1   BB  VCC

  

g) Finalmente determine R2 V R2  R1   CC   VBB

    1   

h) Calcule la impedancia de entrada, ganancia en voltaje y corriente obtenida para el amplificador colector común diseñado.

Zi  R BB h ie  (β  1)(R e R L ) v 

βR e R L  h ie  βR e R L 

53 i  v

Ri RL

2. Verifique experimentalmente que el punto de operación ICQ, VCEQ corresponda al valor de diseño. 3. Aplique señal al circuito para tener en la salida una señal de 1 Vpp sin distorsión medida en el osciloscopio y mida la señal pico a pico en la base del transistor Vi. Una vez visualizada la señal de 1 Vpp en la carga, calcule la ganancia de voltaje del circuito de la ecuación: V 

v o 1 Vpp  vi v i pp

4. Haga RL=0 (cortocircuítela con un cable), y agregue una resistencia RX en serie a Rf de la magnitud de Zi teórica calculada en el inciso h (aproxímela a un valor comercial), ver figura 10.2. Mida de nuevo vi cuando la fuente de señal esta conectada al circuito. Desconecte ahora la fuente de señal y mida vf. Calcule el valor de la impedancia de entrada del amplificador Zi, despejando de las ecuaciones del divisor de tensión: vb 

v f Zi

Zi  R f  R X

Conociendo el valor de la impedancia de entrada del amplificador (expresada en el inciso h) encuentre hie.

Figura 10.2 Circuito para reducir la señal en la base del transistor

5. Cortocircuite el condensador Ci a tierra e inserte una resistencia en serie con Rf de 1 kΩ, como muestra la figura 10.3. Aplique señal al circuito de manera que vc= 2 Vpp. Desconecte la fuente y mida vf. Calcule la impedancia de salida del amplificador mediante Vc 

V f Zo Z o  R f  1k

6. Con los resultados experimentales obtenidos de Δv, Zi deduzca la ganancia de corriente lograda para el circuito diseñado.  i  V 

Zi RL

54

Figura 10.3 Circuito para determinar la impedancia de salida para la configuración colector común

PRÁCTICA XI CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO (FET)

OBJETIVOS: -

Obtener la característica de salida del transistor de efecto de campo (JFET). Obtener la curva de ID – VGS del transistor de efecto de campo (JFET).

PRE- REPORTE: -

Investigar funcionamiento del FET. Llevar hojas de especificaciones del FET utilizado en la práctica. Realizar toda la práctica mediante simulación.

ID Pre_reporte Trabajo en equipo Revisión Evaluación

56

ANTECEDENTES TEÓRICOS El FET es un dispositivo de tres terminales que contiene una unión básica p-n y que puede construirse como un FET de unión (JFET) o un semiconductor metal-óxido FET (MOSFET). Los circuitos integrados en grande y muy grande escala se construyen principalmente utilizando transistores MOSFET. La estructura física y el símbolo del JFET se muestran en la figura 11.1.

Figura 11.1 Estructura física y símbolo de un JFET: a) Canal n, b) Canal p

En la figura 11.2 se observan las curvas características del transistor JFET, las cuales son un gráfico de la corriente de drenador (ID), como una función del voltaje compuertasurtidor (VGS); ver figura 11.2b; así como las curvas características de salida (VDS-ID) para diferentes valores de VGS; ver figura 11.2a.

Figura 11.2 Curvas características del JFET: a) De transferencia ; b) De salida

Dos puntos importantes a observar en la característica de transferencia son los valores IDSS y VP, el primero se da para VGS = 0 y es la máxima corriente (ID) que puede circular por el JFET, y el segundo cuando VGS = VP es el voltaje necesario para cerrar el canal o sea que V ID= 0. La ecuación del comportamiento del JFET es: I D  I DSS (1  GS ) 2 , siendo IDSS y VP Vp valores constantes dados por el fabricante.

57

MATERIAL Y EQUIPO EMPLEADO 1

Fuente de c.d.

2

Multímetros

1

Tabla experimental

1

Resistencia a ¼ W de 2.2 kΩ

1

Transistor JFET 2N5458

DESARROLLO EXPERIMENTAL OBTENCIÓN DE LAS CURVAS CARACTERÍSTICAS PARA EL JFET. 1. Arme el circuito de la figura 11.3.

Figura 11.3 JFET de canal-n

2. Conforme los valores de la tabla I, varíe el valor de la fuente VDD y mida los valores de ID y VDS, para cada valor de VGS. Tabla II. Mediciones para obtener las curvas características del JFET. VDD(V) 0 0.5 1 2 3 5 7 9 12 15 18 20

VGS=0 VDS ID

VGS=-0.5 ID VDS

VGS=-1 ID VDS

VGS=-1.5 ID VDS

VGS=-2 ID VDS

VGS=-3 ID VDS

VGS=-5 ID VDS

58

ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS: 1. Con los datos obtenidos en la tabla I, grafique la característica de salida para el JFET de canal “n” como se muestra en la figura 11.2b. 2. Identifique la región de triodo, de corte y de saturación en la característica de salida. 3. Para un valor VDS constante, tome de la gráfica los valores de VGS e ID y grafique la característica VGS – ID como en la figura 11.2a. 4. De esta segunda gráfica, obtenga los valores IDSS y VP. 5. Investigue qué parámetros proporciona el fabricante de los transistores JFET.

SUGERENCIAS: Para el llenado de la tabla 1, recuerde que se debe de ajustar el VGS a voltajes negativos. Esto se puede lograr de diferentes maneras, una de ellas es seleccionar el modo serie de la fuente de c.d., donde quedará una tierra común (esta se puede tomar de la terminal positiva o negativa que quedan adjuntas entre las fuentes variables A y B), un voltaje positivo (la terminal roja sobrante) y un voltaje negativo (la terminal negra sobrante), para este modo de operación se tendrá el mismo voltaje en ambas terminales pero con signo contrario, la magnitud del voltaje se controlara con la fuente A y la fuente B habrá que ponerse en cero para evitar errores (puede marcarse un corto, si la fuente B esta en un valor mayor que A). Otra forma de lograr un voltaje negativo con la fuente de C. D., es uniendo las terminales adyacentes (positiva y negativa) entre las fuentes variables A y B, y seleccionando el modo independiente en la fuente. De esta unión se obtendrá la tierra común, en la terminal positiva sobrante habrá un voltaje positivo (VDD) y en la terminal negativa restante quedara un voltaje negativo (VGG), que será el que se tendrá que variar para ajustar el VGS al valor negativo correspondiente. La cualidad de este modo de operación es que la magnitud de los voltajes es independiente y se ajustan con la perrilla correspondiente. Recuerde que con los datos de la tabla 1, se recuperará la curva de transferencia (Figura 11.2a) y las curvas características de salida (Figura 11.2b) del JFET.

PRÁCTICA XII POLARIZACIÓN Y PEQUEÑA SEÑAL DE AMPLIFICADORES CON TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO (FET) OBJETIVOS: -

Observar los diferentes circuitos de polarización de transistores de efecto de campo (FET). Obtener la recta de carga de salida. Relacionar el punto de polarización con la respuesta a pequeña señal del amplificador. Visualizar el comportamiento de las configuraciones fuente común y drenaje común.

PRE- REPORTE: -

Llevar hojas de especificaciones de los dispositivos utilizados. Realizar la práctica mediante simulación para presentar resultados de polarización y comportamiento a pequeña señal.

ID Pre_reporte Trabajo en equipo Revisión Evaluación

60

ANTECEDENTES TEÓRICOS Al igual que los transistores de unión bipolar (BJT) los transistores de efecto de campo (FET) deben contar con polarización en c.d., la cual permite determinar la región de operación del dispositivo de acuerdo a la aplicación requerida. En la polarización de FET’s se pueden emplear algunos métodos que se utilizan en los BJT’s, sin embargo no todas resultan adecuadas ya que el funcionamiento básico de ambos transistores son diferentes: • El BJT es un dispositivo controlado por corriente; es decir, la corriente de salida (IC) está en función de la corriente de entrada (IB) y la relación entre ellas es lineal y depende de la hfe. • El FET es un dispositivo controlado por voltaje; la corriente de salida (ID) depende del voltaje de entrada (VGS) y la relación entre estos parámetros no es lineal. También en el FET la recta de carga determina el punto de operación del transistor tal como se observa en la figura 12.1, en donde se considera la región de corte (ID =0) y el nivel de saturación (ID =IDSS/2).

Figura 12.1 Curva de transferencia y recta de carga de c.d.

Tanto en el BJT como en el FET, el punto de polarización, específicamente la corriente de salida, fija la transconductancia (gm) del dispositivo, lo que determinará el comportamiento a pequeña señal según la configuración utilizada. La transconductancia es una medida del cambio en la corriente de drenaje para un cambio en la tensión compuerta-fuente, esta varía de acuerdo al punto de polarización y se puede obtener a través de: gm 

 2I DSS V (1  GS ) VP Vp

MATERIAL Y EQUIPO EMPLEADO: 1 Fuente de c.d. 1 Osciloscopio con 2 puntas de prueba 1 Generador de funciones 2 Multímetros

61 1 Tableta experimental 1 Transistores 2N5458 1 Década de resistencias -

Resistencias a ¼ W (2.2 kΩ (1), 4.7 kΩ (3), 470 kΩ (1), 1MΩ (1), 1.5MΩ (1), 2.2 MΩ (1))

-

Condensadores a 25V (1μF (1), 4.7Μf (2))

DESARROLLO EXPERIMENTAL: 1. Identifique las terminales fuente (S), drenaje (D) y compuerta (G) del transistor y verifique, utilizando el multímetro en la posición de prueba de diodos, que opere correctamente (pida ayuda al instructor en caso necesario). 2. Implemente el circuito de la figura 12.2. utilizando RD=2.2 kΩ, VDD=15V y VGG para lograr los valores de VGG mostrados en la tabla I.

Figura 12.2 Circuito de polarización mediante polarización fija

3. Mida y anote la corriente ID y el voltaje VDS correspondiente a cada VGS. Tabla I. Mediciones para el circuito de la figura 12.2

VGS 0 -0.5 -0.8 -1.0 -1.2 -1.5 -1.8 -2.0 -2.5 -3.0 -3.5 -4.0 -4.5 -5.0

ID

VDS

RDS

62 4. Implemente el circuito polarizado mediante divisor de voltaje de la figura 12.3., coloque RD=RS=4.7 kΩ, R2=470 kΩ, VDD=25V, R1=década de resistencias. Observe en la tabla II los valores que debe tomar R1. VDD ID

R2

+

G

RD D

+

VD

S

-

R1

-

+

VG

RS VS -

Figura 12.3 Circuito de polarización mediante divisor de voltaje

5. De acuerdo a los valores de R1 que se muestran en la tabla II, mida los valores de voltaje VGS, VDS y la corriente de salida ID. Calcule la resistencia estática del transistor RDS. RDS 

VDS ID

Tabla II. Mediciones para el circuito polarizado mediante divisor de voltaje

R1(kΩ) 4.7 6.8 8.2 10 56 82 100 390 560 820 1000 1500 2200

VGS

ID

VDS

RDS

6. Complemente el circuito anterior para trabajarlo a pequeña señal de acuerdo a la figura 12.4, la señal vi deberá ser una señal senoidal proporcionada por el generador de funciones a una frecuencia de 1 kHz y amplitud de 200 mV. Además RL=4.7 kΩ, Ci=Co=1μF, CD=4.7μF.

63

Figura 12.4 Amplificador fuente común con capacitor de desvío.

7. Obtenga la ganancia en voltaje para valores de R1 de 4.7 kΩ, 100 kΩ y 2200 kΩ, anótelos en la tabla III. Prácticamente la ganancia en voltaje es la relación del voltaje de salida vo y el voltaje de entrada vf. 8. ¿Qué sucede con la ganancia en voltaje del amplificador al variar R1?, Note como cuando VGS disminuye, la transconductancia aumenta y por lo tanto la ganancia en voltaje del amplificador aumenta. Compare la ganancia teórica con la obtenida prácticamente, y a partir de ello calcule rd. V  g m (rd R D R L )

9. ¿Por qué para R1 de 2200 kΩ en vez de amplificar el circuito atenúa?, relacione su respuesta con la impedancia de salida del transistor (rd). 10. En el circuito de la figura 12.4, coloque en R1 la resistencia de 4.7 kΩ y quite la resistencia de carga. Obtenga el valor de la ganancia de voltaje, concluya qué sucede. Tabla III. Comportamiento de la ganancia en voltaje del amplificador fuente común con capacitor de desvío

R1 4.7 kΩ 100 kΩ 2200 kΩ

VGS

gm

ΔV

rd

11. Implemente el amplificador drenaje común de la figura 12.5. Utilizando RD=RS=4.7 kΩ, R2=470 kΩ, VDD=25V. Ajuste el generador de señales para proveer una señal senoidal de amplitud igual a 1 Vp a 1 KHz. Varíe R1 de acuerdo a la tabla IV. 12. Obtenga la ganancia en voltaje de esta configuración para las diferentes R1 y anótelas en la tabla IV. 13.

Concluya con respecto a su comportamiento. v 

g m ( RS RL )

1  g m ( RS R L )

64 VDD R2 Generador de funciones

vf

Rf

G

Ci

+

vGS

R1

CD

RD D

Co

S

-

+

RS

RL

vo -

Figura 12.5 Amplificador drenaje común con capacitor de desvío. Tabla IV. Comportamiento de la ganancia en voltaje del amplificador drenaje común con capacitor de desvío

R1 4.7 kΩ 100 kΩ 2200 kΩ

ΔV

ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS 1. Consulte los manuales para obtener el valor de IDSS y VP que proporciona el fabricante de acuerdo al FET utilizado en la práctica. 2. Grafique la curva de transferencia para cada circuito de polarización. 3. De acuerdo a las gráficas obtenidas en el punto anterior trace la recta para cada circuito de polarización. 4. Investigue el modelo equivalente de CD para el FET cuando se comporta como una fuente de corriente y cuando se comporta como una resistencia. 5. Realice el análisis teórico para obtener las medidas de bondad de las configuraciones fuente común y drenaje común contenidas en la práctica.

SUGERENCIAS • Para ajustar a los valores de R1 que se piden en la tabla II se puede emplear una década de resistencias, pero los últimos cuatros valores de R1 que se requieren la tabla no se podrán lograr con la década, por lo que habrá que usar resistencias con los valores especificados. • Con los datos que se obtengan el las tablas I y II, se recuperará la curva de transferencia del JFET (Figura 12.1).

PRÁCTICA XIII DISEÑO DEL AMPLIFICADOR FUENTE COMÚN

OBJETIVOS: -

Diseñar amplificadores fuente común Comprobar medidas de bondad de amplificadores fuente común

PRE- REPORTE: -

Realizar diseño del amplificador contenido en la práctica. Obtener mediante simulación las medidas de bondad del amplificador diseñado.

ID Pre_reporte Trabajo en equipo Revisión Evaluación

66

ANTECEDENTES TEÓRICOS Dada las características físicas de los amplificadores de efecto de campo se conoce que estos tipos de transistores poseen una muy alta impedancia de entrada (109), por lo que la corriente de entrada en la terminal de compuerta es nula, por lo tanto se pueden hacer dos afirmaciones: 1) La señal de salida (corriente en drenaje) depende de la magnitud de voltaje en la entrada 2) La corriente en la terminal de drenaje y fuente son de la misma magnitud. El parámetro que relaciona la corriente de salida con el voltaje en la entrada es conocido como transconductancia, la cual se puede calcular a través de la ecuación 12.2

gm 

I D VGS

 VDS   cte

V  2  I DSS (1  GS ) Vp Vp

(12.1)

En las hojas de especificaciones del fabricante podemos obtener el valor de la corriente de drenaje a fuente de saturación (IDSS) y el voltaje de oclusión (Vp), se encuentran como IDSS y VGSoff respectivamente. De igual forma el fabricante proporciona la impedancia de salida (rd), la cual se encuentra en el rango de 100 kΩ a 20 kΩ, comúnmente aparecen como yos. El modelo a pequeña señal a frecuencias medias para un transistor de JFET es descrito a partir de la transconductancia e impedancia de salida del transistor, como se muestra figura 13.1.

Figura 13.1 Modelo a pequeña señal del JFET a frecuencias medias.

MATERIAL Y EQUIPO EMPLEADO 1

Fuente de c.d.

1

Osciloscopio

1

Generador de funciones

1

Multímetro

1

Tableta experimental

1

Transistor 2N5458

-

Capacitores a 25 volts (1μF (2), 4.7μF (1))

-

Resistencias de ¼ de watt según diseño

67

DESARROLLO EXPERIMENTAL 1. Diseñe un amplificador fuente común, como el de la figura 13.1, para una carga de 10 kΩ y que se tenga una señal de salida de 10 Vpp, utilice el transistor 2JN5458.

Figura 13.1 Amplificador fuente común con capacitor de desvío. PROCEDIMIENTO DE DISEÑO a) Obtenga la IDQ requerida para lograr la excursión de salida pico deseada (vop), con este valor seleccione el transistor a utilizar buscando que la IDSS típica sea al menos 4 veces mayor que la IDQ requerida. Para máxima transferencia de potencia considere RD igual a RL. v op  I DQ  R ca ; R ca  R D R L

Para la práctica únicamente verifique que la IDQ quede dentro del rango especificado. b) Para dar asegurar el cumplimiento de la excursión se dará un margen del 20% a la corriente de drenaje de polarización utilizada para los cálculos del diseño. I DQ  1.2 * I DQ c) Calcule la corriente de drenaje pico máxima y mínima. I Dmin  I DQ  (

Vop

I Dmax  I DQ  (

Vop

R ca R ca

) )

d) Calcular el VGS que se tendría en los niveles de corriente mínimo y máximo. Utilizar el voltaje de estrechamiento y corriente de drenaje a fuente de saturación en los niveles de sus curvas mínimas y máximas según corresponda. I D min ) VGS min  V p min ( 1  IDSS min VGS max  V p max ( 1 

I D max ) IDSS max

e) Calcular el valor de RS utilizando los puntos máximos y mínimos. Ajuste al valor comercial más cercano que pueda implementar con no más de dos resistencias.

68

RS 

VGS max  VGS min I DQ max  I DQ min

f) Obtener VDSQ utilizando el voltaje máximo de estrechamiento Vp. VDSQ  VPmax  VGSmax  v op ; g) Obtener VDD mediante el análisis de cd en la malla de salida. VDD  I DQ ( RD  RS )  VDSQ h) A través de la ecuación de la malla de entrada calcular VGG para cumplir el punto de polarización requerido. VGG  I DQ max RS  VGS max ; i) Con la impedancia de entrada deseada, considérela de 100 kΩ, determine R1 y ajústela al valor comercial mayor más cercano, que pueda implementar con no más de 2 resistencias. RGG R1  V  1   GG   VDD  j) Finalmente determine R2 V   R2  R1   DD   1   VGG   k) Calcule el rango en el cual se debe encontrar la ganancia en voltaje del amplificador fuente común diseñado. 2I V v   g m ( RD RL ) ; g m  DSS (1  GS ) Vp Vp 2. Ajuste el generador de señales a 1 kHz y amplitud suficiente para que vo= 1Vpp. Mida la señal vf (pico a pico) utilizando el osciloscopio y calcule la ganancia de voltaje experimental. 1V v v  o  pp vf v f pp 3. Una vez ajustado a 1 Vpp la señal de voltaje en la terminal de drenaje (vo), desconecte la carga y vuelva a medir el voltaje pico a pico en la terminal de drenaje (vsl). Calcule la impedancia de salida Ro del amplificador utilizando el principio de divisor de tensión y el equivalente de thévenin en la salida del circuito, como se muestra en la figura 13.2.

Figura 13.2 Circuito para calcular impedancia de salida.

69

v o  1Vpp 

v sl pp * R L

(R L  R O ) 4. Utilizando el circuito de la figura 13.3 con interruptor cerrado para vo = 1 Vpp, mida vf (observe que se ha añadido una resistencia de 100 kΩ en serie con la fuente de señal) para medir vi. Enseguida abra el interruptor y mida vf. Utilice de nuevo el equivalente de thévenin y divisores de tensión para evaluar la impedancia de entrada del circuito.

Figura 13.3 Circuito para evaluar la impedancia de entrada.

vi 

v f * R i´



v f ´*R i´

R f ´ R i ´ 100 k  R f  R i ´

Observe que Ri’ es el paralelo de la impedancia de entrada de la configuración fuente común con la impedancia de entrada del osciloscopio, y Rx es el paralelo de la impedancia de entrada del transistor con RGG. R i ´ R x R osc ; R x  R GG R i 5. Calcule la ganancia en corriente de la configuración. R i  v i RL