Tutorial Electronic A - Transistores

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Unidad Orientativa(Electrnica)

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Transistores

Curso introduccin a los Transistores Modulo Electrnica Autor: Ing. Martin A. Torres

ndice Temtico2

1. Que es un TRANSISTOR 2. Transistores Principios de funcionamiento 3. Polarizacin del transistor 4. Parmetros 5. Clculos para mtodos de polarizacin 6. Practico N1 (Corte-Saturacin) 7. Practico N2 (MAD Modo Activo Directo) 8. Practico N3 (Calculo y diseo de circuito para polarizar un Transistor)

Curso introduccin a los Transistores Modulo Electrnica Autor: Ing. Martin A. Torres

1- Que es un Transistor Los transistores han facilitado en gran medida el diseo de circuitos electrnicos de reducido tamao, gran versatibilidad y facilidad de control. Estos vienen a sustituir a las antiguas vlvulas termoinicas.

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Gracias a los transistores se pudieron hacer equipos porttiles a pilas u bateras, ya que los aparatos valvulares, trabajan a tensiones muy altas, y tardaban en su momento hasta 30 segundos en empezar a funcionar. El transistor es un elemento electrnico con tres terminales, formado por tres capas de material semiconductor que alternan el dopado tipo N y tipo P. Segn la conformacin de estas tres capas de semiconductores (que son cristal), nos podemos encontrar con dos tipos de configuraciones, o mejor dicho, nos podemos encontrar con dos tipos de transistores... Los transistores NPN, y los transistores PNP.

Curso introduccin a los Transistores Modulo Electrnica Autor: Ing. Martin A. Torres

2- Transistores Principios de funcionamiento Para que un transistor funcione correctamente, deben aplicarse unas tensiones continuas a sus terminales. Si mediante una fuente conformada por dos bateras aplicramos unas tensiones positivas a la base y al colector de un transistor NPN, respecto del emisor y la base respectivamente, el diodo PN formado por la base y el emisor, estar polarizada directamente produciendo una corriente "Base-Emisor"; En el caso de los transistores PNP, seria la inversa.

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Seria de esperar que esta corriente de electrones que salen del emisor lleguen ntegramente a la base y drenen por ah, pero esto no ocurre as, dado que en este caso son atrados por la tensin positiva del colector, as que podemos decir que la mayora se dirige al mismo. Para acentuar este efecto producido, la base se construye poco dopada y muy estrecha, osea, se aplica una pequea corriente, para poder mover una mayor. Veamos una comparacin de un caso de la vida real para acentuar mas la idea del principio de funcionamiento de los transistores... Tratemos de Imaginar un tanque de agua con tres compartimentos internos separados entre si por dos compuertas mecnicas que tienen el siguiente orden E- C1 - B - C2 - C (similar al de estas figuras)

Curso introduccin a los Transistores Modulo Electrnica Autor: Ing. Martin A. Torres

Como podemos observar en las imgenes, estos compartimentos (E / B / C Emisor / Base / Colector), debajo de ellos, tenemos un sistema de ductos (caeras), que poseen dos bombas hidrulicas.(P1 y P2). La bomba P1, es la encargada de aspirar agua del compartimiento E y la introduce en B.

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La bomba P2, comunica E con C, osea, aspira agua del compartimiento E y la introduce en C.

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Bien, hasta ac, ya tenemos en claro que funcin cumple cada componente en este sistema de tanques, pero que tiene de similar el funcionamiento de este complejo sistema de agua, con un transistor? Bien, comencemos a describir por pasos y notaran cuales son las similitudes. La bomba P1 absorbe agua de E y la introduce en B. Al llegar este compartimiento a un cierto nivel de agua en su interior, la misma presin ejercida por el peso del agua abre la compuerta C1 y deja ceder el agua hacia E. Al mismo tiempo que deja ceder el agua hacia el compartimiento E, un sistema mecnico, trabaja sobre la compuerta C2 que comunica los compartimentos C y E, 6 logrando as que el agua que circulaba entre E y C por la accin de la bomba P2, salga con mucha presin desde el compartimiento C hasta el E.

La corriente de agua que circula entre B y E bajo la accin de la bomba P1, es siempre una corriente dbil porque no hay gran esfuerzo que desarrollar para poder levantar la compuerta C2. Adems, si esta corriente fuera excesiva, lograramos llenar el compartimiento B rpidamente y el mismo agua no solo se desbordara del tanque, si no que tambin la gran cantidad de liquido no nos dejara abrir la compuerta C2. La corriente de agua que circula entre C y E bajo la accin de la bomba P2, es siempre una corriente intensa por que la compuerta abre la entrada a una gran circulacin de agua.

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Ahora bien, comparemos lo que dijimos en el principio y comparmoslo con el ejemplo citado. 1- Dijimos que para que un transistor funcione correctamente, deben aplicarse unas tensiones positivas a los terminales de la base y al colector de un transistor NPN. En el caso de los tanques, podemos notar que estas tensiones positivas es el volumen del agua que sumado a la presin ejercida por las dos bombas hidrulicas tenemos el mismo efecto.7 2- Si mediante una fuente conformada por dos bateras aplicramos unas tensiones positivas a la base y al colector de un transistor NPN, respecto del emisor y la base respectivamente, el diodo PN formado por la base y el emisor, estar polarizada directamente produciendo una corriente "Base-Emisor". En el caso de los tanques, si nosotros no tuviramos la bomba hidrulica P1, no podramos establecer un llenado en el compartimiento B y generar as una fuerza de desequilibrio entre los compartimientos para generar las aperturas delas puertas y as tengamos un flujo de agua entre los compartimientos.

3- En el caso del transistor, seria de esperar que esta corriente de electrones que salen del emisor lleguen ntegramente a la base y drenen por ah, pero esto no ocurre as, dado que en este caso son atrados por la tensin positiva del colector, as que podemos decir que la mayora se dirige al mismo. Para acentuar este efecto producido, la base se construye poco dopada y muy estrecha. En el caso del tanque, el flujo de agua tambin se esperara que el agua proveniente del compartimiento E, drene ntegramente en el compartimiento B, pero la misma resistencia ejercida por la bomba P1, deja que la mayora del flujo sea absorbida por la bomba P2 e introducida en el compartimiento C. 4- Entonces concluimos que en ambos casos, se aplica e implementa una pequea corriente, para poder mover una mayor.

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3- Polarizacin del Transistor Internamente, podemos observar que el transistor esta compuesto por dos diodos, segn su juntura, podremos decir si es un transistor NPN, o un transistor PNP.

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Para comprender el funcionamiento de estos semiconductores en modo de corte y saturacin, recordemos que al principio de este capitulo, les mencione que transistor debe polarizarse para su funcionamiento; osea, la base se construye poco dopada y muy estrecha. La imagen 1, muestra una tpica polarizacin utilizando slo una fuente de tensin Vcc., RB1 y RB2 son las llamadas resistencias divisoras de base, y Rc la de colector.

En este caso no se coloc ninguna resistencia en el emisor.Curso introduccin a los Transistores Modulo Electrnica Autor: Ing. Martin A. Torres

La salida se toma, en este caso, del colector (cuando lleguemos al modo de funcionamiento MAD, veremos que la salida puede ser tomada de cualquiera de los terminales, y de esto depende el nombre de la configuracin: colector comn, emisor comn o base comn). Para saber en qu punto esta funcionando el transistor, es decir qu valor tiene IC y qu valor tiene VCE, se realiza un anlisis llamado esttico o anlisis de continua, haciendo referencia a que slo se tiene en cuenta las fuentes de alimentacin de continua.; Para ello se recorre la malla de salida:9

VCC= Ic.Rc+Vcesta frmula representa una recta, y es llamada Recta de carga esttica. Dibujamos sta recta, en el grfico ya visto de IC (corriente de colector) en funcin de VCE (tensin colector emisor). De la interseccin de dicha recta y las curvas, obtenemos el punto de funcionamiento del transistor. Los puntos de la recta que cortan los ejes son:

Curso introduccin a los Transistores Modulo Electrnica Autor: Ing. Martin A. Torres

Entonces, como dijimos, de la interseccin de la curva y la recta, se halla el punto de funcionamiento del transistor. Este punto es llamado punto Q o punto de trabajo del transistor, y para dicho punto obtendremos un ICQ y un VCEQ, correspondiente a la corriente de colector y la tensin entre colector emisor a la cual se esta trabajando. En el grfico anterior se muestran diferentes puntos posibles de trabajo (Q1, Q2, etc.) Recordando lo expuesto en la entrega anterior, vemos que, si el transistor se encuentra trabajando en el punto Q1, su funcionamiento es en modo saturacin, de Q2 a Q4 en MAD y Q5 en corte.10

4- Parmetros Se define el parmetro a una constante proporcional y como a la relacin = Ic/Ib es decir IC=.Ib En la practica, puede valer entre 50 y 300 y llegar a 1000 en algunos transistores, es decir, la intensidad del Colector (Ic), es unas veces mayor que la intensidad de Base (Ib) y proporcionalmente a la misma. Las curvas mas interesantes del transistor, son las de salida. En el siguiente grafico, esta la representacin de la intensidad de colector en funcin de la tensin Colector-Emisor (VCE) para diferentes valores de intensidad de base (Ib).

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Ahora se preguntaran, que significa y que son la saturacin, corte, etc? *Zona Activa: En ella para cada intensidad de BASE, resulta una intensidad de colector (Ic) veces mayor, mantenindose sensiblemente constante la tensin Colector-Emisor. La zona activa funciona como amplificador. Para que el transistor funcione correctamente, debe mantenerse su funcionamiento dentro de esta zona. *Zona Saturacin: Al entrar en esta zona, la intensidad de colector se dispara convirtindose el transistor en un circuito cerrado, osea que cuando por la base circula una 11 intensidad, se aprecia un incremento de la corriente de colector considerable. En este caso el transistor entre colector y emisor, se comporta como un interruptor cerrado; De esta forma se puede decir que la tensin de la batera se encuentra en la carga conectada en el colector. *Zona de Corte: En esta zona la intensidad de colector se anula y el transistor se comporta como un interruptor abierto. Vindolo de esta manera, el diodo formado por la corriente Base-Colector tiene una intensidad menor a la del Emisor; No circula intensidad por la base, por lo que la intensidad de Colector y Emisor tambin es nula. La tensin entre Colector y Emisor es la de la batera o fuente. *Zona Prohibida: En ella, el producto de tensin por intensidad supera la potencia mxima tolerable por el transistor, osea que cuando se llega a esta zona, se puede llegar a destruir el transistor.

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5- Calculo para mtodos de polarizacin Hay diversas maneras de polarizar a un transistor, en este curso, veremos solo alguna de ellas y aprenderemos como realizar el calculo de polarizacin para un correcto funcionamiento. Recordando que para que un transistor opere normalmente la unin base-emisor, debe tener polarizacin directa, en cambio, la unin base-colector debe de tener polarizacin inversa. Nuevamente, recordemos la recta de carga citada anteriormente...12

Como ya sabemos, la recta de carga es una lnea diagonal, que se dibuja sobre la curva de salida del transistor, y que indica los extremos de operacin del mismo. Cada uno de los puntos de esta recta, posee como coordenadas un valor de corriente de colector y un voltaje colector-emisor, los cuales a su ves definen el valor de los componentes a ser utilizados en el circuito de polarizacin.

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Las principales formulas a memorizar son:

Vbe= 0,6v a 0,7v (dependiendo el transistor. Esto se puede saber en la misma hoja de datos delsemiconductor)

Ic= Ib . Hfe Ie= Ib + Ic13SABIENDO QUE... RC = Resistencia de Colector Vcc= Fuente o Voltaje principal

Rb = Resistencia de Base

Vbb= Fuente o Voltaje secundario

Re = Resistencia de Emisor

Vbe= Voltaje Base-Emisor

RTH= Resistencia equivalente

Vbc= Voltaje Base-Colector

Ic= Intensidad de Colector

Vce= Voltaje Colector-Emisor

Ib= Intensidad de Base

Vc= Voltaje Colector

Ie= Intensidad de Emisor

Ve= Voltaje Emisor

HFE= Ganancia del transistor

Vb= Voltaje Base

PD= Potencia del Transistor

VTH= Voltaje Equivalente

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Tenemos...A_

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Calculo de circuito Ib=(Vbb - Vbe) / Rb Ic=Ib . Hfe Vce=Vcc - (Ic . Rc) PT=Vce . Ic

Calculo de recta de carga Vce Max = Vcc Ic Max = Vcc / Rc

B_

Calculo de circuito Ib=(Vbb - Vbe) / Rb Ic=Ib . Hfe Vce=Vcc - (Ic . Rc) PT=Vce . Ic

Calculo de recta de carga Vce Max = Vcc Ic Max = Vcc / Rc

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C_

15Calculo de circuito RTH= Rb1 . Rb2 / (Rb1 + Rb2) VTH= Vcc . Rb2 / (Rb1 + Rb2) Ib= (VTH - Vbe) / RTH Ic= Ib . Hfe Vce= Vcc - (Ic . Rc) PT= Vce . Ic Calculo de recta de carga Vce Max = Vcc Ic Max = Vcc / Rc

D_

Calculo de circuito RTH= Rb1 . Rb2 / (Rb1 + Rb2) VTH= Vcc . Rb2 / (Rb1 + Rb2) Ib= (VTH - Vbe) / (RTH + Re . (Hfe + 1)) Ic= Ib . Hfe PT= Vce . Ic

Calculo de recta de carga Vce Max = Vcc Ic Max = Vcc / (Rc + Re)

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E_

16Calculo de circuito Ib= (Vcc - Vbe) / Rb + Rc . (Hfe + 1)) Ic= Ib . Hfe Vce= Vcc - (Rc . Ic (1 + 1 / Hfe)) PT= Vce . Ic Calculo de recta de carga Vce Max = Vcc Ic Max = Vcc / Rc

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6- PrcticosBien, para poder comprender mejor las secciones anteriores, necesitaremos mnimo implementar algn laboratorio virtual, as hacemos de este tema, una seccin practica y fcil de comprender. En nuestro caso, implementaremos el laboratorio virtual Live Wire, que pueden descargar la versin DEMO desde la pagina oficial del software. La siguientes lecciones, nos introducir dentro del funcionamiento del transistor, ya calcular nosotros mismo, nuestros propios circuitos de polarizacin de transistores.

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PRACTICO N1 (CORTE-SATURACION)En este practico, trataremos de hacer un ejercicio con el laboratorio virtual, para ver por nuestra cuenta, como se comporta y funciona un transistor en Corte Saturacin. Observemos primero este ejemplo: (Iniciamos nuestro laboratorio virtual, y para la gente que tiene LiveWire, abrir el ejercicio1a de la carpeta del curso nuestro.) 18 Girando el potencimetro observamos que el diodo vara su luminosidad, pasando de totalmente encendido a apagado. Es decir que vamos recorriendo la recta de carga esttica, con diferentes valores de Q, pasando desde la saturacin hasta el corte respectivamente.

Es decir, cuando la resistencia del potencimetro sube la corriente de base baja y por ende la del colector tambin hasta que no circula ms corriente, que es cuando el led se apaga. Anlogamente cuando la resistencia baja, la corriente de la base sube, la del colector tambin y el led se enciende al mximo. Si trabajamos slo con los valores extremos, es decir, cuando el led esta apagado y cuando el led esta al mximo de luminosidad, podemos decir que el transistor es usado en modo conmutador y es equivalente a una llave. Estos dos extremos son el corte (led apagado) y la saturacin (led encendido al mximo) del transistor. Es muy comn utilizar esta forma de trabajo del transistor para el prendido y apagado de elementos (leds, relay, etc.) Entonces, un transistor saturado equivale a una llave cerrada. Circula corriente y si medimos con un multmetro la tensin entre colector y el emisor, vemos que es muy pequea y positiva (aproximadamente cero). Un transistor en corte, equivale a una llave abierta. No circula corriente y si medimos la tensin entre el colector y el emisor, vemos que es Vcc (no hay cada de tensin sobre la resistencia RC y por ende toda la tensin de la fuente cae sobre el transistor).

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Veamos la comprobacin de lo dicho anteriormente en este ejercicio: (Iniciamos nuestro laboratorio virtual, y para la gente que tiene LiveWire, abrir el ejercicio1b de la carpeta del curso nuestro.) Habamos dicho que puede existir una resistencia en el emisor, en realidad para el caso de ser el transistor utilizado como llave, osea, en los casos en que quiere aprovecharse las propiedades del transistor en funcionamiento de corte-saturacin, es ms normal no encontrarla en los diseos de los circuitos; Debido a que se desea obtener en el colector los dos extremos de tensin, es decir que pase de cero a Vcc, y colocar una resistencia en el emisor implica tener una tensin extra. Si el objetivo de utilizar una llave en el encendido / apagado de cargas, veamos ahora 19 cmo hacer para controlar sta llave. Supongamos una onda cuadrara en la base del transistor...

Aqu se observan ambos extremos de funcionamiento: Cerrado Hay flujo de corriente Abierto No hay flujo de corriente 1) Cuando la onda cuadrada se encuentra en su nivel alto (punto1), la tensin en la base es mayor a la del emisor, y por ende el diodo correspondiente se encuentra en directa. El transistor esta saturado, circula corriente por el colector y la tensin en el colector es directamente la cada de tensin VCE, que para ste caso se aproxima a cero.

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2) Cuando la onda cuadrada se encuentra en su nivel bajo (punto2), la tensin en la base es cero, y por ende el diodo correspondiente esta en inversa. El transistor se encuentra en corte, no circula corriente por el colector y entonces la tensin en el colector (al no circular corriente) es Vcc (no hay cada de tensin sobre Rc). De ac en adelante se tratar al valor alto de tensin de la onda cuadrada como 1 y al bajo como 0 (sus correspondientes valores lgicos). Ms all de los desarrollos matemticos y definiciones que hemos visto hasta aqu, lo que les debe quedar en claro, es que el transistor se puede utilizar cmo una llave, logrando el efecto de permitir o no el paso de corriente por su colector. Bien, hasta ac todo bien, yo les realice el circuito para que experimenten con su laboratorio virtual, pero noten que En el ejemplo anteriormente citado, noten que no tienen 20 valores los componentes. Seleccion el modo componente Ideal para dejarles el ejemplo visual y funcione el circuito si o si, osea que podra colgarle un ladrillo que el circuito funcionaria igual .... Para hacerlo mas interesante y de paso que no se aburran, ustedes ahora tendrn que realizar los clculos necesarios para la polarizacin del transistor de este circuito.....

PRACTICO N2 (MODO ACTIVO DIRECTO)En este caso, implementaremos otra caracterstica del transistor..."La Amplificacin". Si bien no aplicaremos clculos en el siguiente practico, trataremos de ver y comprender como funciona el transistor en este modo de funcionamiento. Si introducimos una seal del tipo senoidal a la entrada, lo que obtendremos a la salida es una rplica de la misma, pero amplificada una cierta cantidad Un circuito comn para este tipo de funcionamiento, es el siguiente:

Tanto Rb1, Rb2 como Rc se utilizan para polarizar correctamente al transistor. Rs es la resistencia interna del generador. En el siguiente ejemplo practico, implementamos un generador de seal senoidal, es decir una onda con la siguiente forma, y con las siguientes caractersticas: (Iniciamos nuestro laboratorio virtual, y para la gente que tiene LiveWire, abrir el ejercicio1ab de la carpeta del curso nuestro.)

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Los capacitores son colocados en serie a la seal para filtrar la tensin de continua y son normalmente llamados de desacople. En el caso de la salida de un amplificador de audio es muy necesario ya que ah se colocar un parlante (no puede existir una tensin continua ya que los daara). Para el anlisis del transistor en su modo de funcionamiento MAD, se estudia por un lado la parte de polarizacin, es decir slo la alimentacin de continua, se arma la recta de carga esttica y se calcula el punto de trabajo Q. Una vez hecho esto se analiza cmo se comporta el circuito con solamente la seal de entrada, y nada de tensin continua. Obtenindose la recta de carga dinmica, haciendo el nombre referencia a que se esta estudiando la seal y la misma vara en el tiempo, es decir es dinmica. En el siguiente grafico, vemos que la seal mencionada anteriormente, va a excursionar de la siguiente manera:

Del grfico se observa que para que la seal se amplifique lo ms que se pueda, conviene que el punto Q se encuentre justo a la mitad de la recta. Ya que como se ve en el grfico

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cuando la seal alcanza los puntos extremos de la recta, la seal se recorta (ya sea por la saturacin, o por el corte del transistor). Por eso es que al momento del diseo, los valores de los componentes se calculan no slo para polarizar correctamente al transistor sino tambin para que la amplificacin sea la mxima posible. A esto se le llama mxima excursin simtrica, que dada su complejidad, no tocaremos este tema ya que trataremos de orientarnos mas a la temtica del curso, que es el sector de mantenimiento industrial.

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Practico N3 (Calculo y diseo de circuito para polarizar un Transistor)Realizar los clculos de polarizacin para los siguientes casos, suponiendo que para todos los casos implementaremos un transistor 2N3904 (VBE = 0,7v) y luego vamos a simularlos en nuestro laboratorio virtual. Polarizacin simple con una fuente de 5Vcc y luego realizar el mismo ejercicio con una fuente de 12Vcc (realizar el ejercicio tanto para un transistor NPN, como para un PNP) Polarizacin simple con dos fuentes Vbb=9V y Vcc= 12V (realizar el ejercicio tanto para un transistor NPN, como para un PNP) Polarizacin simple con divisor de tensin y fuente de 12V (realizar el ejercicio tanto para un transistor NPN, como para un PNP) Polarizacin simple con realimentacin en Emisor con una fuente de 9Vcc y luego realizar el mismo ejercicio con una fuente de 12Vcc (realizar el ejercicio tanto para un transistor NPN, como para un PNP)

Polarizacin simple con realimentacin en Base con una fuente de 9Vcc y luego realizar el mismo ejercicio con una fuente de 12Vcc (realizar el ejercicio tanto para un transistor NPN, como para un PNP)

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