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• Emmanuel Moises Chavez Muñiz

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PRACTICA No. 5 “TRANSISTOR BIPOLAR” Objetivos: 1. Identificar las terminales del transistor bipolar. 2. Medir la corriente de fuga ICBO y su variación con la temperatura. 3. Obtener y medir el voltaje de ruptura de la unión base emisor y de la unión colector-base de un transistor bipolar de silicio de tecnología planar. 4. Obtener las curvas características de entrada del transistor bipolar en configuración de emisor común. Observar su variación con el voltaje de colector emisor. 5. Obtener las curvas características de salida del transistor bipolar en configuración de emisor común. Observar y reportar su variación con la temperatura. Identificar las regiones de operación corte, saturación y activa directa. DESARROLLO EXPERIMENTAL: Conceptos Básicos: Transistor bipolar.

Distintos encapsulados de transistores. El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El termino transistor es la contracción en ingles de transfer resistor (resistencia de transferencia). Los transistores son componentes esenciales para nuestra civilización porque toda la electrónica moderna los utiliza, ya sea en forma individual (discreta) como también forma parte de circuitos integrados, analógicos o digitales, de todo tipo: microprocesadores, controladores de motores eléctricos, procesadores de señal, reguladores de señal, etc. Actualmente se les encuentra prácticamente en todos os enseres domésticos de uso diario: radios, televisores, grabadores, reproductores de audio y video, hornos de microondas, lavarropas

automáticos, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo, computadoras, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos, etc. Sustituto de la válvula termoiónica de tres electrodos o tríodo, el transistor bipolar fue inventado en los laboratorios Bell de EEUU en diciembre de 1942 por John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley, los cuales fueron galardonados por el premio nobel de física en 1956. Sus inventores los llamaron así por la propiedad que tiene el transistor de cambiar su resistencia al paso de la corriente eléctrica que lo atraviesa entrando por uno de los 3 terminales (“el emisor”) y saliendo por otro (el “colector”) en función de la mayor o menor corriente eléctrica que, para excitarlo, se inyecte en el tercero (la “base”). El transistor bipolar consta de un sustrato y tres partes contaminadas artificialmente que forman dos uniones bipolares, el emisor que emite portadores, el colector que los recibe o recolecta y la tercera, que esta intercalada entre las dos primeras, modula el paso de dichos portadores (base). A diferencia de las válvulas el transistor es un dispositivo controlado por corriente y del que se obtiene corriente amplificada. En el diseño de circuitos a los transistores se les considera un elemento activo, a diferencia de los resistores, capacitores e inductores que son elementos pasivos,. Su funcionamiento solo puede explicarse mediante mecánica cuántica, luego en realidad el transistor es un dispositivo cuántico. El transistor bipolar es el más común de los transistores, y como los diodos, puede ser de germanio o silicio. Existen dos tipos de transistores: el NPN y el PNP, y la dirección del flujo de la corriente en cada caso, lo indica la flecha que se ve en el gráfico de cada tipo de transistor. El transistor es un dispositivo de 3 pastillas con los siguientes nombres: base (B), colector (C) y emisor (E), coincidiendo siempre, el emisor, con la plantilla que tiene la flecha en el grafico de transistor.

El transistor es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si le inducimos una cantidad de corriente por una de sus patillas (base), el entregara por otra (emisor) una cantidad mayor a esta, en un factor que se llama amplificación. Este factor se llama b (beta) y es un dato propio de cada transistor. Entonces: IC (corriente que pasa por la patilla colector) es igual a b (factor de amplificación) por Ib (corriente que pasa por la patilla base). Ic=B*Ib IE (corriente que pasa por la patilla emisor) es el mismo valor que Ic, solo que, la corriente en un caso entra al transistor y el otro caso sale de él, o viceversa. Según la fórmula anterior las corrientes no dependen del voltaje que alimenta el circuito (Vcc), pero en la realidad si lo hace y la corriente Ib cambia ligeramente cuando se cambia Vcc. Ver figura.

En el primer grafico las corrientes de base (Ib) son ejemplos para poder entender que a mas corriente la curva es más alta.

MATERIAL:                 

Osciloscopio de doble trazo. Generador de señales. Multímetro analógico y/o digital. Fuente de voltaje de CD variable. Fuente de corriente de CD variable. Una pinza de punta. Una pinza de corte. 6 cables caimán – caimán de 50 cm. 6 cables caimán – banana de 50 cm. 6 cables banana – banana de 50 cm. 4 cables coaxiales que tengan en un extremo terminación bnc y en el otro caimanes. Una tablilla de conexiones (protoboard). 1 transistor de germanio NPN AC127. 4 transistores de silicio NPN BC547. 4 resistores de 1 KΩ A ½ watt. 1 resistor de 100 KΩ a ½ watt. 1 encendedor.

Experimentos: 1. Es requisito que para antes de realizar la practica el alumno presente por escrito y en forma concisa y breve los siguientes puntos sobre el transistor bipolar. a) Símbolo

b) Construcción interna.

c) Diagrama típico de uniones. d) Modelo matematico.

Las corrientes continuas en el emisor y el colector en operación normal son determinadas por:

Modelo Ebers-Moll para transistores NPN

Modelo Ebers-Moll para transistores PNP

La corriente interna de base es principalmente por difusión y

Dónde:

      

IE es la corriente de emisor. IC es la corriente de colector. αT es la ganancia de corriente directa en configuración base común. (de 0.98 a 0.998) IES es la corriente de saturación inversa del diodo base-emisor (en el orden de 10−15 a 10−12 amperios) VT es el voltaje térmico kT / q (aproximadamente 26 mV a temperatura ambiente ≈ 300 K). VBE es la tensión base emisor. W es el ancho de la base.

La corriente de colector es ligeramente menor a la corriente de emisor, debido a que el valor de αT es muy cercano a 1,0. En el transistor de unión bipolar una pequeña variación de la corriente base-emisor genera un gran cambio en la corriente colector-emisor. La relación entre la corriente colector-emisor con la base-emisor es llamada ganancia, β o hFE. Un valor de β de 100 es típico para pequeños transistores bipolares. En una configuración típica, una señal de corriente muy débil circula a través de la unión base-emisor para controlar la corriente entre emisor-colector. β está relacionada con α a través de las siguientes relaciones:

Eficiencia del emisor: Otras ecuaciones son usadas para describir las tres corrientes en cualquier región del transistor están expresadas más abajo. Estas ecuaciones están basadas en el modelo de transporte de un transistor de unión bipolar.

Dónde:         

iC es la corriente de colector. iB es la corriente de base. iE es la corriente de emisor. βF es la ganancia activa en emisor común (de 20 a 500) βR es la ganancia inversa en emisor común (de 0 a 20) IS es la corriente de saturación inversa (en el orden de 10−15 a 10−12 amperios) VT es el voltaje térmico kT / q (aproximadamente 26 mV a temperatura ambiente ≈ 300 K). VBE es la tensión base-emisor. VBC es la tensión base-colector.

Modelos para señales débiles e) Comportamiento grafico de entrada y salida.

f)

Parámetros principales y su definición.

Parámetro α

El parámetro α de un transistor indica la relación de semejanza que se produce en la corriente de colector y las variaciones de las corrientes del emisor. Así por ejejmplo, en el caso de que en un transistor se haya medido una variación de la corriente de colector de 7.92 mA, entre dos puntos de funcionamiento, y una variacioón de 8 mA en la corriente de emisor, tendremos que: Dado que la corriente de base, suele ser muy pequeña, en la mayor parte de los transistores el valor del parámetro α se acerca a la unidad. Ganancia de corriente o parámetro β de un transistor La circunstancia de que una pequeña corriente de base controle las corrientes de emisor y colector mucho más elevadas, indica la capacidad que posee un transistor para conseguir una ganancia de corriente. Así, la ganancia de corriente de un transistor es la relación que existe entre la variación o incremento de la corriente de colector y la variación de la corriente base. Así, por ejemplo, en el caso de que en un transistor se obtenga una variación de corriente de colector de 8 mA y de 0.08 mA en la corriente de base, la ganancia será: La ganancia de corriente de los transistores comerciales varía bastante de unos a otros. Así, nos podemos encontrar transistores de potencia que poseen una β de tan sólo 20. Por otro lado, los transistores de pequeña señal pueden llegar a tener una β de 400. Por todo ello, se pueden considerar qe los valores normales de este parámetro se encuentran entre 50 y 300. En las tablas de especificaciones técnicas, que facilitan los fabricantes de transistores, en vez de utilizarse la β para identificar la ganancia de corriente, se suele utilizar h . Así por ejemplo, para el transistor de referencia BC108 se lee en sus hojas de características, una h entre 150 y 290; lo que nos indica que la ganancia de corriente de este transistor, puede encontrarse entre estos valores. FE

FE

g) Circuitos equivalentes.

h) Parámetro h.

Modelo de parámetro h

Modelo de parámetro h generalizado para un BJT Reemplazar x con e, b o c para las topologías EC, BC y CC respectivamente.

NPN.

Otro modelo comúnmente usado para analizar los circuitos BJT es el modelo de parámetro h. Este modelo es un circuito equivalente a un transistor de unión bipolar y permite un fácil análisis del comportamiento del circuito, y puede ser usado para desarrollar modelos más exactos. Como se muestra, el término "x" en el modelo representa el terminal del BJT dependiendo de la topología usada. Para el modo emisor-común los varios símbolos de la imagen toman los valores específicos de:        

x = 'e' debido a que es una configuración emisor común. Terminal 1 = Base Terminal 2 = Colector Terminal 3 = Emisor iin = Corriente de Base (ib) io = Corriente de Colector (ic) Vin = Tensión Base-Emisor (VBE) Vo = Tensión Colector-Emisor (VCE)

Y los parámetros h están dados por:  



hix = hie - La impedancia de entrada del transistor (correspondiente a la resistencia del emisor re). hrx = hre - Representa la dependencia de la curva IB–VBE del transistor en el valor de VCE. Es usualmente un valor muy pequeño y es generalmente despreciado (se considera cero). hfx = hfe - La ganancia de corriente del transistor. Este parámetro es generalmente referido como hFE o como la ganancia de corriente continua (βDC) in en las hojas de datos.



hox = hoe - La impedancia de salida del transistor. Este término es usualmente especificado como una admitancia, debiendo ser invertido para convertirlo a impedancia.

Como se ve, los parámetros h tienen subíndices en minúscula y por ende representan que las condiciones de análisis del circuito son con corrientes alternas. Para condiciones de corriente continua estos subíndices son expresados en mayúsculas. Para la topología emisor común, un aproximado del modelo de parámetro h es comúnmente utilizado ya que simplifica el análisis del circuito. Por esto los parámetros hoe y hre son ignorados (son tomados como infinito y cero, respectivamente). También debe notarse que el modelo de parámetro h es sólo aplicable al análisis de señales débiles de bajas frecuencias. Para análisis de señales de altas frecuencias este modelo no es utilizado debido a que ignora las capacitancias entre electrodos que entran en juego a altas frecuencias.

i)

Polarización típica.

2. Identificar las terminales del transistor bipolar. Existen diversas formas que nos permiten identificar las terminales de un transistor bipolar y si este es NPN o PNP, sin embargo se recomienda que siempre se consulten las hojas de especificaciones que proporciona el fabricante y que nos indican cómo están ubicadas las terminales de emisor, colector base. En el laboratorio es conveniente comprobar que esta ubicación es correcta y que el dispositivo esté en buen estado. En el caso que no se cuente con la información suficiente, mediante algunas mediciones realizadas en el laboratorio, es posible identificar las terminales de los transistores bipolares y el tipo de transistor NPN o PNP de que se trate. 2.1 usar el multímetro en su función de óhmetro y aplicar la prueba conocida como “prueba del amplificador” e identificar las terminales del transistor. a) Use un multimetro analógico en su función de óhmetro. Mida el efecto rectificante entre las uniones emisor-base y colector-base (para el caso de un transistor NPN, cuando se coloca el positivo de la fuente interna del óhmetro en la base (P) y el negativo en cualquiera de las otras dos terminales deberá medirse baja resistencia, al invertir esta polaridad, la resistencia medida deberá ser alta (use la misma escala del multimetro para la realización de estas pruebas). Entre las terminales de colector-emisor se observará alta resistencia sin importar como se coloque la polaridad de las terminales del óhmetro. Con estas mediciones se

compruébala existencia de las uniones rectificantes en el transistor bipolar y el tipo de transistor NPN o PNP. Para distinguir la terminal del colector de la terminal de emisor, será necesario aplicar la prueba del amplificador. b) Habiendo identificado la terminal de base de las otras dos terminales y el tipo de transistor NPN o PNP, la prueba del amplificador.

2.2. Otra forma que permite identificar las terminales de este dispositivo es mediante el uso de un multimetro digital que nos permita medir la “beta” del transistor. Esto es que elegimos en el multimetro digital la función de medición de la beta, colocamos las terminales del transistor como creamos que están correctas y midamos la beta, cuando el dispositivo está correctamente colocado la beta medida, generalmente es grande (en la mayoría de los casos mayor a 50), cuando no está bien colocado la beta que se mide es pequeña (en la mayoría de los casos menor a 20 y en algunos casos indica circuito abierto). 2.3. Después de identificar las terminales de sus transistores bipolares, dibújelos en isométrico en la figura 1, indicando donde está el colector, el emisor y la base.

Figura 1 Dibujo isométrico del transistor bipolar indicando la base, el emisor y el colector en un NPN y en un PNP

Figura 2 simbolos del transistor

3. Medir la corriente de fuga icbo y su variación con la temperatura Al igual que en los diodos (uniones rectificantes ) se tuvo la presencia de corrientes de fuga (generadas por los portradores minoritarios ), en los transisitores bipolares también se presentan de tal forma si polarizamos inversamente en cualquier par de terminales del transistor se podrán medir estas corrrientes. Según el par de terminales que elija, la corriente tendrá valores diferentes aunque del mismo orden de magnitud, es importante recordar que estas corrientes son muy pequeñas comparadas con las corrientes de operación del dispositivo y que además para el caso del silicio son mucho menores que para el germanio. En la expresión matemática que se usa para la corriente de saturación inversa colector-base con el emisor abierto en la figura 3 se propone un circuito para medir esta corriente y observar como varia con la temperatura . Para esta medición usaremos el transisitor de germanio AC127.

Figura 3 Circuito propuesto para medir la corriente icbo y su variación con la temperatura usando eltransisitor de germanio

ICBO=ICO= ICBO1=ICO1=

a temperatura ambiente a temperatura mayor que la ambiente

Para aumentar la temperatura acerque un cerillo encendido por cinco segundos 4. Observar y medir el voltaje de ruptura de la unión base-emisor y de la unión colector-base de un transistor bipolar con tecnología planar. Actualmente la gran mayoría de los transisitores bipolares están construidos con tecnología planar, en ellos las regiones del emisor base y colector presentan diferentes concentraciones de impurezas y tamaños debido alas características de construcción que se tienen en las uniones emisor-base y colector-base el voltaje de ruptura que se presenta en la unión emsor-base es

menor que el que se presenta en la unión colector-base llegándose en la practica a generalizar diciendo que la unión emisor-base de un transistor bipolar de silicio se comporta como un diodo zener . Arme el circuitpo de la figura 4 y obtenga la curva del diodo emisor-base posteriormente desconecte en emisor conecte el colector y obtenga la curva del diodo colector-base use una señal senoidal con voltaje pico entre 10 y 12 V a una frecuencia entre 60 Hz y KHz

Figura 4.a… Circuito propuesto para obtener la curva del diodo emisor base y colector base de un transistor bipolar

Figura 4.b curva del diodo emisor base .

Reporte el voltaje al cual rompe la union emisor –base VEB=0.7V

5. Obtener las curvas características de entrada del transistor bipolar en configuración emisor común observar su variación con el voltaje de colector-emisor Armar el circuito de la figura 5 (observar que este circuito es semejante al de la figura 4 solo haga los cambios necesarios ) el cual permite obtener el comportamiento de la unión emisor-base del transistor bipolar y observar su variación con el voltaje de colector –emisor

Rreporte en la tabla 1 los valores medidos de la corriente en la base paro los diferentes voltajes de base-emisor Ic(uA) medida sobre la curva del diodo emisor-base 200 uA 100 uA 150 uA Tabla 1.

VBE(V) medida sobre la curva del diodo emisor-base cuando VCE=0V 2.5mV 2.5 2.4

VBE(V) medida sobre la curva del diodo emisor-base cuando VCE=0.5V 0.463mV 52.9mV 21.6mV

VBE(V) medida sobre la curva del diodo emisor-base cuando VCE=5.0V 4.97V 4.3V 4.12

6. Obtener las curvas características de salida del transistor bipolar en configuración de emisor común .Observar y reportar su variación con la teperatrura Armar el circuito de la figura 6 y obtener una a una las curvas características de salida del transistor bipolar emisor-comun para diferentes corrientes en la base

Reporte los valores medidos de corriente de colector para los valores de voltaje colector-emisor solicitados en la tabla 2 elija los valores adecuados para la corriente de base tal que la IB haga que el transisitor bipolar trabaje en la región de corte los valores de IB2 y IB3 lo hagan trabajar en la región activa directa (de amplificación) y la corriente IB4 lo lleve ala región de saturación.

IB1 corte IB activa IB3 activa IB4 saturada

VCE=0V 0 150uA 0 0

VCE=2V 0 100u 150.3u 200u

VCE=4V 0 100u 150.5u 199.3u

VCE=6V 0 100.2u 150.5u 199.3u

VCE=8V 0 100.4u 150.1u 200.3u

VCE=10V 0 49.48u 149.2u 200.7u

VCE=12V 0 99.48u 149u 190u

Fije la corriente de base en el valor de IB3 (región activa ), acerque un cerillo encendido al transistor bipolar por 5 seg, Y observe que le pasa a la corriente de colector. Diga si aumenta o disminuye la corriente

Reporte en la grafica de abajo la curva característica de salida del transistor bipolar para la IB3 a temperatura ambiente y a mayor temperatura. Ilustre sobre la misma grafica el cambio con diferentes colores la tinta,

Figura 7 Curva característica de salida en la configuración de emisor común para el transistor bipolar a dos diferentes temperaturas y considerando la corriente en la base constante.

Cuestionario 1. Dibuje el diagrama de bandas de un transistor bipolar en el cual la unión emisor – base este polarizada directamente y la unión colector – base presente polarización cero.

UNION EMISOR – BASE

UNION COLECTOR – BASE

2. Determine el valor de la alfa (α) para las lecturas que se realizaron en el circuito de la figura 2.

3. Escriba la expresión matematica que se usa para determinar el aumento de la corriente de fuga en una unión rectificante cuando aumenta la temperatura, hágalo tanto para el caso del silicio como para el germanio

Silicio

Germanio

4. Defina que otras corrientes de fuga pueden obtenerse entre las terminales de un transistor bipolar e indique con que literales se conocen.

5. Proponga un circuito que permita obtener la corriente de fuga de la unión emisor – base con el colector corto – circuitado.

6. ¿ De que orden es el voltaje de ruptura colector - emisor en el transistor de silicio BC547?

7. Apartir de la tabla2 obtenga las curvas características de salida del transistor bipolar en emisor común.

8.

9. Proponga el circuito equivalente de parámetros “h” para el transistor bipolar en emisor-comun y defina cada uno de los parámetros “h”.

10. A partir de las curvas características de la pregunta 7, obtenga los parámetros hfe, hoe, para la grafica que obtuvo con la corriente de IB3 y un VCE=4v respectivamente.

11. Cuando la corriente en la base es cero, ¿Cuánto debe de valer la corriente de colector?

12. Usando los datos de la tabla 1, obtenga las curvas características de entrada del transistor bipolar en emisor común.

13. Determine los parámetros hibridos hie, hre usando las graficas de la pregunta anterior para una corriente de base de 40 µA

14. Anote sus conclusiones

15. Anote su bibliografía consultada.