lab n4 - circuitos con transistores
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UNIVERSIDAD DE PIURA
Facultad de Ingeniería y Arquitectura
Programa Académico de Ingeniería MecánicoEléctrica
!ur"o# Electrónica General (EL)
$uía de %a&oratorio N' (
)ema# Circuitos con transistores
1. Introducción
Estudiaremos un dispositivo electrónico semiconductor: el transistor.
Actualmente se encuentran prácticamente en todos los aparatos
domésticos de uso diario: radios, televisores, hornos de microondas,
lavadoras, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas,ordenadores, ecógrafos, teléfonos celulares, etc.
Tuvieron su origen en la necesidad de amplifcar las señales de radio
y televisión ya que, al llegar a una antena no se tena su!ciente
potencia para e"citar un parlante o un tu#o de televisión. Antes de
éste invento, las señales eran ampli!cadas haciendo uso de válvulas
termoiónicas de tres electrodos, pero éstas tenan varios
inconvenientes como la gran potencia que consuman, su corta
duración, su gran tamaño y la gran cantidad de calor que disipa#an.
En $%&', los cient!cos (ardeen, (rattain y )hoc*ley desarrollan en
los la#oratorios (ell el primer transistor de estado sólido en y cuatro
años más tarde, con la ayuda de )par*s se construyó el primer
transistor de unión #ipolar de microvatio.
En el presente la#oratorio se estudiará la ampli!cación de volta+e y de
corriente mediante el uso de transistores.
2. Sumario de Conceptos
2.1. Transistor
El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que
cumple funciones de ampli!cador, oscilador, conmutador o
recti!cador. n transistor está conformado por tres partes: una
de ellas es la que se encarga de emitir electrones, por lo tanto,
es el emisor, una segunda parte es la que los reci#e, el
denominado colector, y por -ltimo, una tercera parte que operacomo un modulador del paso de los electrones.
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Figura 1: Transistor
En este dispositivo, se forman dos uniones pn/: la unión
colector0#ase y la unión emisor0#ase. A continuación veremos
que la corriente que 1uye por una unión afecta a la corriente en
la otra unión. Esto hace al transistor (2T muy -til como
interruptor o como ampli!cador.
2.2. Transistor BJT
n transistor de unión #ipolar es un dispositivo de tres capas de
semiconductor e"trnseco de tipo n y p, formando as dos
uniones np/. 3ada capa de semiconductor tiene caractersticas
particulares de dopado y dimensiones espec!cas que le
con!eren un funcionamiento peculiar. Tiene tres terminalesunidos a cada una de sus capas, siendo la #ase 4(5 el terminal
unido a la capa intermedia y emisor 4E5 y colector 435 los
terminales unidos a las capas de los e"tremos.
Figura 2: Estructura interna del BJT
6a !nalidad de un transistor es regular el paso de grandes
corrientes con una corriente pequeña. Es as que sus principales
aplicaciones son la ampli!cación de corriente, la ampli!cación
de tensión y regulación del paso de corriente.
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2.3. Dopado en un transistor
3omo se ha dicho, un transistor (2T tiene tres 7onas o capas con
diferente dopado, pudiendo las com#inaciones ser npn/ opnp/ como se aprecia en la !gura 8, dependiendo de esa
con!guración su estructura cam#ia, pero su funcionamiento es
el mismo.
6a #ase es la capa intermedia y presenta un nivel de dopado
muy #a+o. El colector es la capa superior en la ilustración 8 y
presenta un dopado medio, mientras que la capa inferior es el
emisor. En cuanto a la geometra la #ase es signi!cativamente
más estrecha que las otras dos capas.
Figura 3: Unión NPN y PNP
2.4. Funcionamiento de un transistor BJT
)e ha visto que el transistor #ipolar sin polari7ación se
comporta como una unión de dos diodos recti!cadores, sinem#argo no sucede as con el transistor polari7ado ya que se
comporta de una manera muy particular e inesperada9 por lo
que enseguida se e"pondrá este funcionamiento.
2.4.1. Flujo de electrones en el transistor polarizado
Asumiremos que el transistor tra#a+a en modo activo
directo como se o#serva en la con!guración de la !gura &.
3omo se sa#e, el 1u+o de electrones tiene sentido opuesto
al sentido de la corriente. 6os signos menos representan
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los electrones li#res. El emisor, que es una 7ona
altamente dopada, es el que se encarga de inyectar los
electrones a la #ase9 la mayora de estos electrones la
atraviesan y 1uyen hacia el colector. inalmente el
colector es el que reci#e los electrones que de+ó pasar la
#ase para insertarlos nuevamente en el circuito.
Figura 4
Además vemos que cuando los electrones li#res se encuentran en la#ase, pueden seguir dos caminos:
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;ueden recom#inarse con los huecos e"istentes en la
#ase, y salir de la #ase hacia el terminal positivo de la fuente
como electrones de valencia, sin em#argo al tratarse de una
7ona po#remente dopada, esta recom#inación no será en gran
cantidad, por lo tanto el 1u+o de electrones que ingrese por la#ase será pequeño.
El camino que seguirá la mayora de electrones será
pasar hacia el colector9 de#ido a que la 7ona de la #ase es
po#remente dopada y además es muy estrecha, por lo tanto
los electrones li#res solo recorrerán una distancia muy corta
para pasar al colector. na ve7 que la mayora de electrones
li#res ingresan a la 7ona del colector, 1uyen a través de esta
7ona y alcan7arán el terminal positivo de la tensión dealimentación del colector.
2.4.2. Bandas de ener!a
;ara ha#lar de #andas de energa, se necesita indicar si el
transistor esta polari7ado o no, ya que dependiendo de
eso variarán.
3uando el transistor no está polari7ado, vemos que en las
7onas n/ hay electrones li#res en la #anda deconducción9 mientras que en la 7ona p/ hay huecos en la
#anda de valencia9 además al polari7ar el transistor
variarán los niveles de energa.
3omo se puede ver, cuando el transistor se polari7a, los
niveles de energa varan de tal forma que la 7ona n/ del
colector ha #a+ado y la 7ona n/ del emisor ha su#ido con
respecto al caso del circuito no polari7ado.
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Figura 5
Al anali7ar el transistor polari7ado, podemos o#servar que en
promedio el <= de los electrones se logran recom#inar en la #ase y
pasan a ser electrones de valencia y el %<= restante pasan hacia el
colector. Esto se e"plica por el hecho de que los electrones al pasar a
la #ase no encuentran muchos huecos para recom#inarse. >ás #ien,
fácilmente atraviesan la #ase y llegan al colector que tiene unas
#andas de energa más #a+as y por lo tanto los electrones tienden a ir
hacia él.
2.". Tipos de Transistores
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Figura 6
2.#. Cur$as caracter!sticas de los transistores
6a !gura ' muestra las curvas caractersticas de un transistor
#ipolar tpico. Estas curvas están ideali7adas, de manera que
sólo se muestran las caractersticas principales.
Figura : !ur"as caracter#sticas en e$isor co$%n de un transistor NPN t#&ico
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2.%. &onas de 'uncionamiento del transistor
6a 7ona en la que está funcionando el transistor depende de la
u#icación del punto de funcionamiento en la curva de salida deltransistor. )eg-n esto tendremos las cuatro 7onas o regiones de
funcionamiento que se aprecian en la !gura %.
Figura '( )egiones de *unciona$iento del transistor
6a primera y qui7á la más importante es la región activa
directa que es la región en la que el diodo emisor0#ase esta
polari7ado en directa, mientras que el #ase0colector esta
polari7ado en inversa. En esta región el transistor funciona
como ampli!cador de corriente.
na segunda región es la de ruptura, en la que la pendiente dela curva de salida se torna mayor. Esta es una 7ona indesea#le
de funcionamiento ya que implica la destrucción del transistor
por efecto 2oule. En algunos casos se usa disipadores de calor
para ale+ar esta región de la región activa y evitar pro#lemas
térmicos.
6a tercera y cuarta región son las regiones de saturación y
corte. Estas dos 7onas suelen tra#a+ar alternadamente en un
circuito, ya que en estas 7onas el transistor funciona como uninterruptor controlado eléctricamente. En la región de
saturación el diodo emisor0#ase está polari7ado directamente,
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pero el diodo #ase0colector no está polari7ado inversamente,
por lo que no se cumplirán las relaciones de corrientes. Además
en esta 7ona el transistor act-a como cortocircuito 4interruptor
cerrado5 entre emisor y #ase ya que la tensión es desprecia#le.
6a región de corte es la 7ona en la que el diodo emisor0#ase noestá polari7ado directamente y por lo tanto el transistor act-a
como un circuito a#ierto 4interruptor a#ierto5.
2.(. Corrientes de un transistor
a5 3orriente de (ase: Es una corriente muy pequeña del orden
de los microamperios.
#5 3orriente de Emisor: Es una corriente nota#lemente más
grande que la corriente de #ase.c5 3orriente de 3olector: Es una corriente muy parecida a la
corriente de emisor.
Estas corrientes se relacionan mediante la ley de nodos de
?irchho@, ya que la suma de la corriente de #ase con la
corriente de colector 4corrientes que llegan a un nodo5 nos da la
corriente de emisor 4corriente que sale de un nodo5. En forma
analtica esto se puede representar de la siguiente manera:
3 B ( C E
Donde:
IC: corriente de colector.
IB: corriente de #ase.
IE: corriente de emisor
Figura +
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De#ido a que la corriente de #ase es muy pequeña, podemos
considerarla desprecia#le, entonces:
3 E
2.). *ariaciones en la anancia de corrientes de untransistor
6a ganancia de corriente de un transistor se ve in1uencia por
distintos factores como lo son la tolerancia de fa#ricación, la
temperatura y el punto de funcionamiento del transistor. n
mismo transistor puede variar su ganancia de#ido a estos
factores hasta en una relación de 8 a $.
Es necesario tener en cuenta estas variaciones que se puedenproducir, ya que en algunos casos pueden originar un cam#io
signi!cativo en el funcionamiento de los circuitos.
;or e+emplo, si se fa#rican en cantidad transistores FG8%H& los
cuales, dependiendo de la temperatura, en el me+or de los
casos presentan ganancias iguales a 8HH y en el peor de los
casos $HH. I#servaremos que las ganancias de los transistores
se encontrarán entre esos rangos y no en un solo valor
espec!co.
En la !gura $$ se esquemati7a la variación de la ganancia con
la temperatura y la corriente de colector. )e puede o#servar
que la ganancia alcan7a su má"imo valor para una corriente de
colector dada y disminuye conforme la corriente de colector se
ale+a de ella.
Estas variaciones de ganancia han signi!cado un reto para los
diseñadores de circuitos eléctricos y los ha orientado al diseño
de circuitos en los que el punto de funcionamiento se vea muy
poco in1uenciado por la ganancia de corriente.
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Figura 1,
3. Tra+ajo ,r-ctico
Instrumentos y materiales a utilizar
• n osciloscopio
• n proto#oard por grupo
• n generador de señales.
• n multitéster por grupo
• na fuente regula#le de tensión continua por grupo.
• Jesistencias de $H K 4$5, LMH K 4$5, $* 4F5, F.F* 4F5, 8.8* 4F5,
8.%* 4F5, $H* 485 por grupo.
• 3inco condensadores cerámicos de $HH u por grupo.
• Dos transistores G;G por grupo.
• Dos diodos por grupo
Circuito / 01: Amplifcador Multietapa
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Circuito / 02: Amplifcador B/AB
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4. Cuestionario
$. NOué tipo de polari7aciones e"isten para un transistorP
E"plique detalladamente cada una de ellas.
F. nvestigar acerca de la ;olari7ación de ampli!cadores de clase
(QA(. NOué aplicaciones tieneP
8. NOué efecto tiene la temperatura so#re la ganancia de
corrienteP
&. E"plique #revemente la disipación de potencia en el
transistor.
<. N3uál es la fórmula para la disipación de potencia de un
transistorP 3onociendo esta relación, Nen qué lugar de la recta
de carga se espera que la potencia disipada sea má"imaP
L. Jealice un análisis completo del circuito nR H$. 3alcule el
volta+e de salida del circuito. NOué conclusión puede o#tener
del estudio de este circuitoP
'. 3uando se mira un diagrama esquemático que muestra un
transistor NPN y un PNP, Ncómo se puede identi!car cada
tipoP N3ómo se puede identi!car la dirección del 1u+o de
electrones 4o convencional5P
M. 3onstruya una ta#la comparativa donde se muestren los
distintos tipos de polari7aciones de un transistor, sus
caractersticas y los usos que se les da. ;or e+emplo su ta#la
puede tener la siguiente forma:
Tipo de
Polarización
Características Se utiliza en:
". Conclusiones
#. Bi+liora'!a
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• [1] ;rincipios de Electrónica/. )éptima Edición. Autores: Al#ert
>alvino, David 2. (ates.
• [] Apuntes del curso ela#orados por el Dr. ng. 3ésar 3hinguel
Arrese.
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