Dispositivos Electrónicos

Universidad la Salle Noroeste, A.C. Página 1

PRACTICA 1

FAMILIARIZACIÓN CON LOS TRANSISTORES Y

GANACIA DE CORRIENTE (β) EN UNA CONFIGURACIÓN

EMISOR COMÚN

OBJETIVOS

Familiarizar al lector con diversos tipos de transistores.

Medir los efectos producidos por la polarización en directa (normal)

y en inversa en la corriente emisor-base del circuito emisor-base.

Medir los efectos producidos por la polarización en directa y en

inversa en la corriente del colector en el circuito emisor-base.

Medir ICBO

Medir los efectos de la variación de IB en el valor de IC

Determinar el valor de beta

PRE-REPORTE

Traer impresas las hojas del fabricante de los transistores utilizados

en la práctica.

Dispositivos Electrónicos

Universidad la Salle Noroeste, A.C. Página 2

ANTECEDENTES TEORICOS

Transistor: dispositivo formado por tres elementos

EI interés científico de los semiconductores trajo consigo la invención del transistor.

Una ventaja del transistor es su tamaño y peso reducidos, lo cual permite la

miniaturización del equipo electrónico. El transistor opera con poco voltaje y su

consumo de electricidad es mínimo. No necesita un periodo de calentamiento y

funciona en cuanto se le suministra energía. Una de las desventajas de los transistores es

su sensibilidad al calor, pero una ventaja es que genera muy poco.

Existen diversos tipos de transistores. Se pueden clasificar de acuerdo como el tipo de

material básico con que se construyen. En esta categoría figuran los transistores de

germanio y silicio. La mayor parte de los transistores se hacen de silicio. También se

clasifican de acuerdo con el proceso utilizado para su fabricación. Existen diversos tipos

de transistores de unión: transistor de unión por crecimiento, de unión por aleación, de

campo de arrastre, tipo meseta, epitaxial tipo meseta, planar y de contactos de punta. Se

pueden clasificar también según su capacidad para disipar potencia; aquí se encuentra

una amplia gama, desde los de baja potencia (de menos de 50 mW) hasta los de alta

potencia (2 W y más).

Los transistores tienen diversas formas y tamaños (figura 4-1). Existen variantes en

cuanto a la configuración de su receptáculo y a la manera de montar el transistor en el

circuito. Algunos se montan sobre un conector. Estos se adaptan a la forma de la base

física del transistor. Algunos transistores tienen conexiones flexibles que permiten

soldarlos directamente en el circuito.

Figura 4.1 Algunas formas del transistor.

Los transistores son una extensión del diodo de semiconductor. El transistor PNP

mostrado en la figura 4-2 es un ejemplo. Un transistor de unión construido con una capa

muy delgada de silicio tipo N entre dos capas "gruesas" de silicio tipo P. De las placas

metálicas individuales que están en contacto con los respectivos cristales

semiconductores se toman tres conexiones. La oblea P de la izquierda se denomina

"emisor", la oblea N de en medio, "base" y la oblea P de la derecha, "colector". La base

tiene alrededor de 1 mil (0.001 pulg) de espesor.

Dispositivos Electrónicos

Universidad la Salle Noroeste, A.C. Página 3

Figura 4.2 Transistor de unión pnp

Para efectos de polarización, este transistor se puede considerar como dos diodos. El

emisor-base es un diodo y el colector-base es el otro diodo. Cuando se utiliza como

amplificador, el transistor se polariza como se indica en la figura 4-3. El emisor-base se

polariza en sentido directo o en dirección de resistencia mínima con un VEE; el colector-

base se polariza en sentido inversa, o en dirección de resistencia máxima con un Vcc

Figura 4.3 Polarización de un Transistor pnp

Los huecos son los portadores de corriente mayoritarios del diodo emisor-base y salen

del emisor tipo P. Solo una pequeña cantidad de los huecos emitidos por el emisor se

combinan con los electrones libres de la base. Los demás (un 95%) atraviesan la

delgada capa de material, y son atraídos por la terminal negativa de la batería en el co-

lector. El circuito emisor-colector se completa en forma externa a través de las dos

baterías, VEE y Vcc, conectadas en serie. El resistor, Rc, limita el valor máximo de la

corriente de colector. De acuerdo con esta descripción del flujo de corriente en un

transistor, el emisor es la fuente de los portadores de corriente, que la corriente emisor-

base es muy pequeña y que la corriente en emisor-colector es alta.

También se observa que los cambios que se producen en la polarización emisor-base

ocasionan cambios en la corriente del emisor. Es decir, un aumento de la polarización

en directa produce un aumento en la corriente de emisor y, por lo tanto, en la corriente

del colector. La corriente de base aumenta o disminuye muy poco con un aumento o

disminución en la corriente del emisor. Por lo tanto, es evidente que es fácil controlar la

corriente del colector si se cambia la polarización de la parte emisor-base. Ahora los

términos "emisor" y "colector" se pueden asociar con las funciones que desempeñan.

También es posible fabricar un transistor de unión con una configuración NPN (figura

4-4). Igual que en el caso anterior, la polarización del emisor-base debe realizarse en la

dirección directa, en tanto que la del colector-base se hace en la dirección inversa. Dado

que en este caso se utiliza un cristal tipo N como emisor y colector y uno de tipo P

Dispositivos Electrónicos

Universidad la Salle Noroeste, A.C. Página 4

como base, hay que invertir las polaridades de la batería en relación con la polaridad de

un transistor PNP. En el caso transistor NPN, los electrones son los portadores de

corriente mayoritarios. Para el transistor PNP estos portadores son huecos.

Figura 4.4 Polarización de un Transistor npn

La figura 4-5 es un diagrama simplificado en el que se muestra la dirección del flujo de

la corriente de electrones el circuito externo de un transistor PNP. Note que es una

corriente de electrones la que fluye en el circuito externo y f.ujo de huecos dentro del

cristal tipo P. La corriente designada como ICBO es una corriente de fuga muy pequeña,

y por el momento no se analizara. La corriente que fluye por circuito del emisor es la

corriente "total" y es igual a la suma de las corrientes de base y colector.

Figura 4.5 Flujo de corriente de electrones por el circuito externo de un Transistor pnp

La figura 4-6 es un diagrama simplificado que muestra dirección del flujo de la

corriente de electrones en el circuito externo de un transistor NPN. Al compararlo con la

figura 4-5 se observa que la dirección del flujo de la corriente del circuito externo del

transistor NPN es opuesta a la del tipo PNP.

Figura 4.6 Flujo de corriente de electrones por el circuito externo de un Transistor npn

Dispositivos Electrónicos

Universidad la Salle Noroeste, A.C. Página 5

ICBO y el embalamiento térmico

ICBO es la corriente de colector que fluye cuando la unión formada por colector-base esta

polarizada en dirección opuesta con la unión emisor-base en circuito abierto (no hay

VEE).

Esta corriente de fuga (ICBO) se debe a portadores minoritarios en el colector y la base.

El valor de ICBO está en el intervalo de unos picoampers (pA), para el germanio y de

unos nanoampers (nA), en el caso del silicio y aumenta de valor al aumentar la

temperatura.

Un importante factor que afecta la operación del transistor es la temperatura de

funcionamiento. Una temperatura mayor da una corriente mayor; a su vez, esto produce

más calor y más corriente. Si esta reacción en cadena, conocida como embalamiento, no

se interrumpe, puede dar como resultado la destrucción completa del transistor debido al

calor excesivo. El intervalo normal de temperatura dentro del cual es posible operar un

transistor sin riesgos esta especificado por el fabricante. Los transistores de silicio

toleran mejor el calor que los de germanio, por lo que su intervalo de temperatura de

funcionamiento es mucho más amplio que para los transistores de germanio.

Símbolos

Las figuras 4-7a) y b) muestran los símbolos que representan los transistores PNP y

NPN, donde el elemento que tiene una flecha es el emisor y su contraparte simétrica es

el colector. El transistor PNP se caracteriza por la flecha del emisor que apunta hacia la

base, en tanto que la flecha del emisor sale de la base para el transistor tipo NPN.

Observe que el flujo de la corriente de electrones dentro del transistor es opuesto a la

dirección de la flecha.

Figura 4.7 Símbolos esquemáticos de a) transistor pnp y b) transistor npn

Los transistores se clasifican de acuerdo con su capacidad para disipar potencia. Un

transistor utilizado como amplificador de audio de bajo nivel tendrá una especificación

de potencia baja, por decir, de 50 mW. Un transistor empleado como amplificador de

salida debe tener una especificación de watts mayor. Las cubiertas de los transistores de

potencia están diseñadas especialmente para favorecer un enfriamiento rápido. Por

ejemplo, en algunos transistores de potencia se utilizan aletas radiales para disipar el

calor (figura 4-1). Otros tipos de transistores utilizan una envolvente metálica montada

en el chasis metálico del equipo en que se utiliza. En este transistor, el colector se

conecta con la cubierta del transistor y el chasis se encarga de disipar el calor. La

especificación de potencia de este tipo de transistor es mayor cuando se monta en el

chasis metálico, como se describió, y una especificación de potencia menor cuando no

Dispositivos Electrónicos

Universidad la Salle Noroeste, A.C. Página 6

se monta en dicho chasis. La siguiente es una lista de las abreviaturas utilizadas para

denotar los parámetros de un transistor:

VBB Voltaje alimentado a la base.

ICB Corriente colector a base (para evitar confusiones se puede usar el

segundo sub-índice).

VKJ Voltaje de circuito entre elementos, por ejemplo, entre K y J.

VCB Voltaje entre colector y base.

Configuraciones de los circuitos de transistores

Un transistor formado por tres elementos se conecta en un circuito de tres maneras

distintas; 1) emisor aterrizado o emisor común, 2) base aterrizada o base común y 3)

colector común o colector aterrizado. Los circuitos respectivos se muestran en la figura

4-8a), b) y c). Cada uno de estos circuitos tiene determinadas propiedades con las cuales

se familiarizará. El emisor aterrizado es la configuración que se utiliza con mayor

frecuencia pues permite obtener ganancia en voltaje, corriente y potencia. En estos

circuitos se conecta en la entrada una señal de voltaje y en la salida se obtiene la señal

procesada. El término emisor común se origina en el hecho de que el emisor es común

tanto para la señal de entrada como para la salida. En la configuración del colector

común, éste se encuentra a un potencial de cd, Vcc, necesario para obtener la

polarización en inversa del circuito de colector. Suponiendo que Vcc es una batería

ideal sin resistencia interna, la impedancia del circuito de colector es de 0. El colector

funciona como referencia común para la señal de entrada y de salida. Dado que el

colector es común para la entrada y la salida, este circuito se conoce como de colector

común o aterrizado. La configuración base común se origina del hecho que la base es

común tanto para la señal de entrada como para la salida.

Figura 4.8 Configuraciones de circuitos de transistores a) de emisor común; b) de base común; c)

colector común

Configuraciones de los circuitos de transistores

Alfa

En el caso del circuito de base común, la corriente del colector se controla con

variaciones de la corriente del emisor. Esto se tiene en cuenta al evaluar una importante

característica de control (alfa o ganancia de corriente) de un transmisor en una

configuración de base común. Alfa se define como el cociente de variación de la

corriente del colector, ΔIc (léase delta Ic) y la variación en la corriente del emisor, ΔIE,

con el voltaje del colector base constante. Así,

Dispositivos Electrónicos

Universidad la Salle Noroeste, A.C. Página 7

Alfa se conoce como cociente de transferencia de la corriente en sentido directo, y se

representa como hfb.

Beta

En la configuración de emisor aterrizado (figura 4-9), la señal de entrada se conecta a la

base. La ganancia de corriente ahora representada por ß (la letra griega beta) y se define

como sigue:

La ecuación anterior establece que ß es el cociente de la variación en la corriente del

colector, ΔIc, producida por la variación en la corriente de base, ΔIB, con el voltaje del

colector VCE, en un valor constante. Es decir, ß es el factor de amplificación de la

corriente de un amplificador de emisor aterrizado. Otro símbolo para ß es hfe.

Cuando VCE es constante, el cociente ΔIc /ΔIB es igual a α. Por lo tanto si VCE y VCB son

constantes, la ecuación se convierte en

Es evidente que conforme α se acerca a 1, ß es cada vez más grande. Así, un transmisor

cuya α es 0.98 tiene una ß con valor de 49, mientras que una α de 0.99 se asocia con

una ß de 99. Como una variación tan ligera en α en la región del valor 1 produce un

cambio tan grande en ß, la medición de α debe ser muy precisa para evitar errores al

aplicar la fórmula de ß.

Figura 4.9 Corriente en un amplificador con emisor aterrizado

Dispositivos Electrónicos

Universidad la Salle Noroeste, A.C. Página 8

MATERIAL Y EQUIPO EMPLEADO

Cantidad Descripción

1 NI ELVIS II

1 Transistor 2N3904 o equivalente

1 Transistor 2N3905 o equicalente

1 Resistencia de 100 Ohms, ½ W.

1 Resistencia de 820 Ohms, ½ W

1 Resistencia de 4.7 KOhms

1 Potenciómetro 2.5 KOhms 2 W

1 Potenciómetro 5 KOhms

2 Interruptores de un polo un tiro

Dispositivos Electrónicos

Universidad la Salle Noroeste, A.C. Página 9

DESA RROLLO EXPERIMENTAL

1.- POLARIZACIÓN PNP.

1.1 Arme el circuito de la figura 4-10 con los interruptores S1, y S2 abiertos. La

configuración de este circuito se llama amplificador de base común. La corriente de

entrada (IE) se aplica en la conexión del emisor, y la corriente de salida (IC) se mide

en el circuito del colector. Configure R2 para el valor de resistencia máxima; con

ello se obtiene la polarización mínima en el emisor al aplicar la alimentación

eléctrica. R1 es un resistor limitador de corriente (o de polarización) en el circuito

del emisor. R3 es un resistor limitador en el circuito del colector. Conserve la

polaridad correcta de la batería y del medidor. Configure los medidores Ml y M2

para valores altos. Una vez conectada la alimentación, disminuya el intervalo del

medidor hasta que sea adecuado para leer el valor de la corriente.

Figura 4.10 Medición de corriente y voltaje en los circuitos de emisor y colector de un transistor

PNP

1.2 Cierre S1 y S2. Observe y mida la corriente presente en los circuitos del emisor y

colector. Haga sus mediciones de manera precisa para advertir cualquier diferencia

entre IE e IC. Anote los datos en la tabla 4-1. Mida el valor de los voltajes emisor-

base (VEB), colector-base (vcb) y colector emisor (VCE) y anótelos en la tabla 4-1.

Muestre la polaridad de cada voltaje.

1.3 Configure R2 para el valor de resistencia mínima, es decir, para obtener la

polarización de emisor máxima. Cambie los intervalos del medidor según se

requiera. Observe y mida IE, IC, VEB, VCB y VCE. Anote los datos

obtenidos en la tabla 4-1. Indique la polaridad de cada voltaje.

1.4 Abra S1. Abra el circuito emisor-base abriendo S2.

1.5 Cierre S1. Observe y mida el valor de ICB. Anote los datos en la tabla 4.1 Este es

el valor de ICBO para las condiciones del circuito. Mida el valor de VCB y anótelo

en la tabla 4.1. Indique la polaridad del voltaje.

Dispositivos Electrónicos

Universidad la Salle Noroeste, A.C. Página 10

Paso IE, mA

Ic

mA VEB VCB VCE IB VR1

1.2

1.3

1.5

2.2

2.3

2.5

Tabla 4.1 Característica de un amplificador con transistor

2 POLARIZACIÓN NPN

2.1 Abra S1. Quite el transistor PNP del circuito y sustitúyalo por el transistor NPN,

invierta la polaridad de Vcc y de VEE, como en la figura 4-11.

Figura 4.11 Medición de corriente y voltaje en los circuito de emisor y colector de un transistor

NPN

2.2 Cierre Sl. Configure R2 para el valor de resistencia máxima. Cierre S2. Observe y

mida el valor de IE y de IC. Anote los datos en la tabla 4-1. Mida los valores de

VEB, VCB y VCE y anótelos en la tabla 4-1. Indique la polaridad.

2.3 Configure R2 para el valor de resistencia mínima. Cambie los intervalos del

medidor según se requiera. Observe y mida IE, IC, VEB, VCB y VCE. Anote los resultados

en la tabla 4-1. Indique la polaridad del voltaje.

2.4 Abra S1. Abra el circuito emisor-base abriendo el interruptor S2.

2.5 Cierre S1. Observe y mida ICBO y VCB. Registre los datos en la tabla 4-1.

Dispositivos Electrónicos

Universidad la Salle Noroeste, A.C. Página 11

3 MEDICION DE BETA

3.1 Arme el circuito de la figura 4-12, M1 y M3, son multímetros. El valor de R4 se fija

para que produzca una resistencia máxima, antes de conectar la alimentación.

Figura 4.12 Medición de corriente y voltaje en los circuito de emisor y colector de un transistor

NPN

3.2 Cierre S1 y S2. Ajuste el valor de R2 a la corriente de base 10 μA (IB). Ajuste el

valor de R4 para VCE para VCE = 6V. Mida el valor de IC y anótelo en la tabla 4-2.

3.3 Ajuste R2 para que IB = 30 μA. Ajuste R4 para mantener VCE en 6 V, Mida y anote

el valor de IC.

3.4 Ajuste R2 para que IB = 40 μA Ajuste R4 para mantener VCE en 6 V, Mida y anote

el valor de IC.

3.5 Vuelva a ajustar R2 y R4 para una IB de 50 μA y un VCE de 6 V. Mida y anote el

valor de Ic.

3.6 Abra S1 y S2. Calcule β con los valores medidos de la tabla 4-2; anote el valor.

Paso IB (μA) Ic (mA) Beta

3.2 10

3.3 30

3.4 40 Tabla 4.2 Medición de la corriente

Dispositivos Electrónicos

Universidad la Salle Noroeste, A.C. Página 12

ACTIVIDADES COMPLEMENTARIAS

1. ¿Qué efecto produce en la corriente del colector un aumento en la polarización del emisor? (configuración base común)

2. Calcule la corriente de base (IB = IE -Ic) para cada conjunto de lecturas

en la tabla 4-1. Anote estos va lores en la tabla. 3. Compare y explique las diferencias entre los valores de IC e ICB0.

4. Compare y explique las diferencias en los valores de VCE obtenidos en

los pasos 1.2 y 1.3. 5. Calcule el voltaje presente en R3 (VR3 = Ic X R3) para cada conjunto de

lecturas en la tabla 4-1. Comente acerca de la relación entre VR3 y VEB.

6. La ganancia de un amplificador se calcula dividiendo la corriente de salida (IC en este experimento) entre la corriente de entrada (IE). ¿Cuál es la ganancia en corriente del amplificador de base común utilizado en este experimento en condiciones normales de operación?

7. Con base en el valor de β determinado en el experimento, encuentre α.

Muestre la fórmula y su desarrollo.