Actividad 1: Respuesta de operación del BJT.
Del montaje anterior se obtuvieron las siguientes mediciones de Vce, Ib e Ic: V
0
1
2
3
4
5
Vce(V)
9.95
0.156
0.089
0.074
0.064
0.058
Ib(µA)
0
57.3
288
493
706
924
Ic(mA)
0
9.63
9.75
9.78
9.79
9.80
A medida que se va aumentando el voltaje en la fuente V, la caída de tensión entre colector y emisor (Vce) va disminuyendo pero la corriente tanto de base (Ib) como de colector (Ic) va aumentando, esto nos deja ver claramente como a partir de un cierto valor del voltaje V, en este caso 1V, el transistor se polariza y permite el paso de corriente a través de la resistencia del colector (Rc = 1kΩ); previo a la polarización casi todo el voltaje de la fuente de 10 voltios se refleja en la unión colector-emisor, luego de la polarización existe una caída de tensión en la resistencia del colector así como en la de la base (Rb = 4.7kΩ). De igual forma, con las mediciones se observa que la corriente de la base es mucho menor que la corriente del colector lo cual se corresponde con la teoría.
Las siguientes grรกficas nos permitirรกn observar la relaciรณn de cambio entre el voltaje colector-emisor y las corrientes Ic e Ib.
Cuando la corriente Ib es de 0ยตA el transistor se encuentra en la regiรณn de corte y por ende la corriente de colector Ic no circula y Vce es mรกximo. Luego, en cuanto la fuente V llega a 1V se observa como el transistor se polariza, la corriente Ib aumenta y Vce disminuye. Podemos ver ademรกs como el cambio en el punto de trabajo del transistor va desde su zona de corte hacia su zona de saturaciรณn abruptamente.
De la grรกfica anterior no solo se aprecia la recta de carga del circuito, sino ademรกs como la polarizaciรณn sugerida por la prรกctica hace que punto de trabajo del transistor (Vce, Icq) este en su zona de saturaciรณn (casi todos los puntos de la
gráfica acumulados en la zona de 0 a 0.3v), por lo que actúa como un interruptor cerrado permitiendo el paso casi total de la corriente Ic. Posteriormente se ha recalculado la resistencia de base (Rb) para que el transistor opere en su zona activa, basados en el criterio de Máxima Excursión Simétrica, con lo cual se efectuaron los siguientes cálculos.
Por Máxima Excursión Simétrica: Ic = Vcc / (Rac + Rdc), así tenemos que: Ic = 10V / (1kΩ + 1kΩ) = 5mA De la relación β de corrientes en los transistores BJT: Ib = Ic / β, con lo cual: Ib = 5mA / 210 = 23.80µA
De la malla de entrada del circuito: Rb = (Vbb - 0.7) / Ib, tomando 3V para este cálculo tenemos que: Rb = (3V - 0.7V) / 23.80µA = 96.63kΩ
Con la resistencia de polarización en la base (Rb) recalculada para que el transistor se polarice en su zona activa además de tener máxima excursión simétrica de tensión a la salida y usando una resistencia de 100kΩ como valor más cercano al calculado, se obtuvieron las siguientes mediciones.
V
0
1
2
3
4
5
Con
la
Vce(V)
9.98
9.60
7.83
6.67
4.53
2.40
Ib(µA)
0
1.9
10.8
16.6
27.77
37.7
Ic(mA)
0
0.39
2.20
3.37
5.52
7.54
como
se
nueva
resistencia
Rb
podemos
ver
ha
reducido
considerablemente los valores de Ib, con lo cual evitamos que el transistor entre en su zona de saturación y permanezca en su zona activa para varios valores de la fuente V. Por ello fue considerado Vbb = 3v para el cálculo de Rb ya que, de todos los valores posibles de la fuente V es uno de los más intermedios. Notamos también como Ic nunca llega a su valor máximo, aunque si a un valor cercano al mismo. Construyendo de nuevo las gráficas de la relación de cambio entre el voltaje colector-emisor y las corrientes Ic e Ib tenemos que:
Nótese que el transistor siempre está trabajando en su zona activa y llega a tocar la zona de corte, pues se ha elegido 0v como uno de los valores de Vbb para alimentar el transistor, pero a excepción de este valor, permanece totalmente en su zona activa.
Obsérvese que todos los puntos de Vce e Ic del transistor para distintos valores de la fuente V, están ubicados sobre la recta de carga del circuito, aunque ya no están acumulados sobre la zona de saturación. Pese a la modificación en el circuito la recta de carga del circuito no sufrió cambios ya que no se modificó ningún elemento a la salida del transistor (Colector - Emisor). Dato curioso: La relación β de corrientes en un transistor BJT solo se cumple para cuando su polarización permite que el transistor este en su zona activa, para las zonas de saturación o corte esta relación no se cumple.
Actividad 2: Circuitos de Polarización. Circuito de polarización fija por divisor de tensión:
Del montaje anterior se obtuvieron las siguientes mediciones:
Circuito sin resistencia en el emisor: Ic = 11.83 mA
Ib = 400 µA
Vce = 86.1 mV
Circuito con equivalente de Thevenin (Vth=2.28V) sin resistencia en el emisor: Ic = 11.92 mA
Vce = 88.8 mV
Circuito con resistencia en el emisor: Ic = 10.77 mA
Ib = 396 µA
Ib = 104 µA
Vce = 123 mV
Circuito con equivalente de Thevenin (Vth=2.28V) con resistencia en el emisor: Ic = 10.81 mA
Ib = 107 µA
Vce = 123.7 mV
Las mediciones anteriores nos permiten ver el comportamiento de un transistor al ser polarizado por un circuito divisor de tensión y por su equivalente de Thevenin. Como se observa en las mismas, en ambos casos al colocar una resistencia en el emisor (Re=100Ω) los valores de Ic, Ib y Vce cambian. Esto se debe a que la corriente que circula por Re (Ie) está relacionada con Ic y por ende con Ib. En muchos textos se dice que Ie es aproximadamente igual a Ic, por lo que al colocar dicha resistencia de 100Ω se está limitando el paso de la corriente Ic y al mismo tiempo esto afecta a Ib, de igual forma la disminución de la corriente de colector hace que disminuya la caída de tensión en Rc y puesto que la misma no es muy grande en Re, el voltaje Vce aumenta. Por otra parte, vemos que cuando no hay una resistencia en el emisor y el circuito se polariza usando un equivalente de Thevenin del divisor de tensión, los valores de las corrientes Ib e Ic y de Vce son casi idénticos uno de otros. Las pequeñas variaciones se deben a que no se usó una resistencia que fuese del valor exacto al de la resistencia de Thevenin. Sin embargo, de nuevo vemos como la polarización sugerida por la practica hace que el transistor esté en su zona de saturación. Recalculando el divisor de tensión para que el transistor trabaje en su zona activa y con el criterio de máxima excursión simétrica, se efectuaron los siguientes cálculos: Para el circuito sin resistencia en el emisor: Por Máxima Excursión Simétrica: Ic = Vcc / (Rac + Rdc), así tenemos que: Ic = 12V / (1kΩ + 1kΩ) = 6mA
De la relación β de corrientes en los transistores BJT: Ib = Ic / β, con lo cual: Ib = 6mA / 210 = 28.57 µA
De la malla de entrada del circuito: Rb = (Vbb - 0.7) / Ib, donde Vbb será Vth, tenemos que: Rb = (2.28V - 0.7V) / 28.57 µA = 55.30kΩ = Rth
Para el divisor de tensión: R2 = (Rb * Vcc) / Vbb, así: R2 = (55.30kΩ * 12V) / 2.28V = 291kΩ R1 = Rb / (1 - Vbb / Vcc), así R1 = 55.30kΩ / (1 - 2.28V/12V) = 68.27kΩ
Para los nuevos valores de Rb, R1 y R2, se realizó el siguiente montaje:
Para el circuito con resistencia en el emisor: Por Máxima Excursión Simétrica: Ic = Vcc / (Rac + Rdc), así tenemos que: Ic = 12V / (1.1kΩ + 1.1kΩ +) = 5.45mA De la relación β de corrientes en los transistores BJT: Ib = Ic / β, con lo cual: Ib = 5.45mA / 210 = 25.97 µA
De la malla de entrada del circuito: Rb = (Vbb - 0.7 - Ic*Re) / Ib, donde Vbb será Vth, tenemos que: Rb = (2.28V - 0.7V - 5.45mA*0.1kΩ) / 25.97 µA = 39.85kΩ = Rth
Para el divisor de tensión: R2 = (Rb * Vcc) / Vbb, así: R2 = (39.85kΩ * 12V) / 2.28V = 209.75kΩ R1 = Rb / (1 - Vbb / Vcc), así R1 = 39.85kΩ / (1 – 2.28V/12V) = 49.20kΩ
De los nuevos montajes considerando la nueva polarización tanto para el transistor con y sin Re se obtuvieron las siguientes mediciones:
Circuito sin resistencia en el emisor: Ic = 6.15 mA
Ib = 29.0 µA
Vce = 5.95 V
Circuito con equivalente de Thevenin (Vth=2.28V) sin resistencia en el emisor: Ic = 6.06 mA
Vce = 6.12 V
Circuito con resistencia en el emisor: Ic = 5.50 mA
Ib = 28.8 µA
Ib = 26.3 µA
Vce = 6.06 V
Circuito con equivalente de Thevenin (Vth=2.28V) con resistencia en el emisor: Ic = 5.54 mA
Ib = 26.6 µA
Vce = 5.93 V
Estas mediciones nos confirman que modificando los valores de R1, R2 y por consecuencia el valor de Rb, podemos cambiar drásticamente el punto de trabajo del BJT. Siendo así que estas resistencias fueron modificadas bajo el criterio de Máxima Excursión Simétrica también comprobamos que en todos los casos se cumple dicho criterio ya que el punto de trabajo Vce e Icq esta ubicado en la mitad de la recta de carga del circuito, repitiéndose además el fenómeno visto para la polarización anterior, la reducción de la corriente Ic e Ib (aunque en menor medida) al añadir una resistencia de 100Ω en el emisor del transistor. Las pequeñas variaciones que hacen que el punto Q no esté perfectamente ubicado en los (6V, 6mA) o de (6V, 5.45mA) respectivamente, se debe a que para R1 y R2 no se usaron los valores exactos calculados incluyendo sus decimales sino resistencias que conectadas en serie se acercasen a dichos valores.
Circuito de autopolarización:
Del montaje anterior se obtuvieron las siguientes mediciones:
Sin resistencia en el emisor y con Rb = 47kΩ: Ic = 9.92 mA
Ib = 177.2 µA
Vce = 102.2 mV
Sin resistencia en el emisor y con Rb = 100kΩ: Ic = 9.88 mA
Vce = 102.8 mV
Con resistencia en el emisor (Re = 100Ω) y con Rb = 47kΩ: Ic = 9.02 mA
Ib = 195 µA
Ib = 91.8 µA
Vce = 136.1 mV
Con resistencia en el emisor (Re = 100Ω) y con Rb = 100kΩ: Ic = 9.01 mA
Ib = 83.1 µA
Vce = 136.2 mV
Al comparar los resultados obtenidos en esta actividad, se puede notar el cambio en la corriente de base Ib debido al efecto de carga en la base, al cambiar la resistencia de 47 KΩ por una de 100 kΩ, la corriente de base disminuye. Sin embargo, al agregar la resistencia de 100 Ω los cambios sufridos por la corriente de colector provocan cambios en la corriente de base, en este caso se deben contemplar ambas resistencias Rc y Re ya que las dos están incluidas en la malla de salida, además podemos considerar IE = IC. La corriente de base la proporciona Vcc a través de la resistencia en la base Rb, con lo cual ambas polarizaciones se obtienen de una única fuente, lo que quiere
decir que la corriente de base IB solo estará determinada a efectos prácticos, exclusivamente por Rb y será prácticamente constante.
Para la configuración con resistor en el emisor, es usual que Re sea aproximadamente 0.1*Rc, esto se debe tener en cuenta para obtener una recta de carga determinada. Este hecho confiere la estabilidad del punto Q, esto es gracias a que el emisor esta sometido a una tensión variable (Ic*Re), al contrario de la configuración sin resistor en el emisor en que estaba permanente, a un potencial fijo. Sin embargo, aun con el cambio de Rb a 100kΩ y añadiendo Re = 100Ω para darle estabilidad al circuito podemos notar según las mediciones efectuadas que el transistor está en su zona de saturación.
Por ello y para este caso, al ser Rb el único elemento que repercute en la polarización del punto Q del transistor y valiéndonos del criterio de Máxima Excursión Simétrica, se ha recalculado Rb para que le transistor este en su zona activa de la siguiente manera:
Para el circuito sin resistencia en el emisor: Por Máxima Excursión Simétrica: Ic = Vcc / (Rac + Rdc), así tenemos que: Ic = 10V / (1kΩ + 1kΩ) = 5mA De la relación β de corrientes en los transistores BJT: Ib = Ic / β, con lo cual: Ib = 5mA / 210 = 23.80µA
De la malla de entrada del circuito: Rb = (Vcc - 0.7) / Ib, así tenemos que: Rb = (10V - 0.7V) / 23.80µA = 390.75kΩ
Para el nuevo valore de Rb y sin considerar Re, se realizó el siguiente montaje:
Para el circuito sin resistencia en el emisor: Por Máxima Excursión Simétrica: Ic = Vcc / (Rac + Rdc), así tenemos que: Ic = 10V / (1.1kΩ + 1.1kΩ) = 4.54mA De la relación β de corrientes en los transistores BJT: Ib = Ic / β, con lo cual: Ib = 5mA / 210 = 21.64µA
De la malla de entrada del circuito: Rb = (Vcc - 0.7 - Ic*Re) / Ib, así tenemos que: Rb = (10V - 0.7V - 4.54mA*0.1kΩ) / 21.64µA = 408.78kΩ
Para el nuevo valore de Rb y considerando Re, se realizó el siguiente montaje:
De los nuevos montajes considerando la nueva polarización tanto para el transistor con y sin Re se obtuvieron las siguientes mediciones:
Sin resistencia en el emisor y con Rb = 390kΩ: Ic = 4.95 mA
Ib = 23.9 µA
Vce = 5.05 V
Con resistencia en el emisor (Re = 100Ω) y con Rb = 408kΩ: Ic = 4.48 mA
Ib = 21.8 µA
Vce = 5.19 V
Confirmamos así que, si variamos el valor de Rb y teniendo un valor fijo en la fuente que la alimenta, en este caso Vcc, podemos llevar el punto de polarización tanto a la zona de saturación como a la zona activa del transistor, pues este fue el único elemento del circuito que manipulamos en este caso. Nótese también que de nuevo se cumple el criterio de máxima excursión simétrica, aunque para el caso donde tenemos Re = 100Ω hay una pequeña variación entre el Vce = 5V teórico y el Vce = 5.19V medido, esto se debe a que el emisor no está sometido a un potencial fijo sino a uno variable como se describió anteriormente, causando que existan este tipo de variaciones.
Circuito de polarización por realimentación del colector:
Del montaje anterior se obtuvieron las siguientes mediciones:
Sin resistencia en el emisor: Ic = 7.60 mA
Ib = 38.2 µA
Vce = 2.48 V
Con resistencia en el emisor (Re = 100Ω) Ic = 7.04 mA
Ib = 35.3 µA
Vce = 2.32 V
Se puede observar el cambio producido de tener la resistencia de base alimentada directamente desde Vcc como en el caso anterior a tenerla alimentada directamente desde el colector del transistor. Los cambios en Ib, Ic y Vce son notables en comparacion. De igual manera que en el circuito de auto polarización, se observa como al colocar la resistencia en el emisor afecta la corriente del colector IC, disminuyéndola, de esta forma la tensión en los terminales de la resistencia de base Rb disminuye, disminuyendo a su vez la corriente de base IB, compensando la variación de Re. Para la realimentación del colector, como se puede observar que Rb no se conecta a un potencial fijo Vcc sino a uno variable VCE. La estabilización de esta disposición se observa que es mayor que en la de auto polarización, dicho de otra forma, compensa mejor las variaciones de Re, ofreciendo como ventaja que el transistor no se llegue a saturar. Por mucho que Rb disminuya, VCE no puede
descender por debajo de 0.7 V, este es el caso que corresponde a base y colector en cortocircuito y entonces VCE = VBE = 0.7 V.
Comparación, ventajas y desventajas de las configuraciones de polarización
Circuito de polarización por divisor de tensión: esta configuración tiene como ventaja frente a las otras configuraciones estudiadas que, seleccionando las resistencias adecuadas, los parámetros Ic, Ib y Vce son casi independientes de las variaciones del hfe del transistor, garantizando así la estabilidad del punto de operación.
Circuito de Auto polarización de BJT: La aplicación de este circuito de polarización se limita a transistores que trabajan como conmutadores (en corte o en saturación). Si se pretende utilizarlo en circuitos dispuestos a trabajar en zona activa, el circuito estaría destinado a fallar, debido a la inestabilidad del punto Q. El circuito de auto polarización, polariza correctamente el transistor, pero no compensa ningún tipo de variación sufrido en condiciones de trabajo.
Circuito de polarización por realimentación del colector: Este circuito es un intento de remediar el inconveniente en el caso de la auto polarización, donde la señal de salida que influye sobre IB se toma del colector, Rb se conecta a un punto variable VCE. La polarización por realimentación de colector, frente a la auto polarización, ofrece como ventaja que el transistor no entre en su zona de saturación.
Actividad 3: Circuitos de Polarización.
Cálculos para el diseño del circuito: Primeramente, se midieron los valores de la fotorresistencia (Rf) tanto en presencia de luz como de oscuridad, dando lo siguiente resultados:
Luz: Rf = 1 kΩ
Oscuridad: Rf = 10 kΩ
Con estos valores se procedió a hacer el cálculo de las resistencias R y R1. Hay que tomar en cuenta que lo que se quiere es que el transistor actué como un interruptor permitiendo o no el paso de corriente a través de la bobina del relé. Para esto se quiere que para cuando haya luz el voltaje en la fotorresistencia, llamémoslo V, no sea suficiente para polarizar el diodo. En el caso contrario, cuando la fotorresistencia este en presencia de oscuridad el voltaje en la misma polarice el diodo directamente en su zona de saturación, haciendo pasar la cantidad máxima de corriente permitida por el circuito a través del relé.
Comenzando por este apartado tenemos en la malla de salida del transistor:
Ic = (Vcc - Vcesat) / Rc, donde Rc representa la resistencia de la bobina del relé y Vcesat es el voltaje Vce de saturación del transistor. Así tenemos que: Ic = (12V - 0.2V) / 400Ω = 29.5 mA De la relación β de corrientes en los transistores tenemos: Ib = Ic / β, así: Ib = 29.5 mA / 210 = 140.47 µA
Luego de la malla de salida del transistor tenemos que:
Rb = (Vbb - 0.7) / Ib, para un Vbb de 5V, es decir, el voltaje que deberá tener la fotorresistencia para polarizar el transistor en presencia de oscuridad tenemos lo siguiente. Rb = (5V – 0.7V) / 140.47 µA = 30.61kΩ = R1
Nota: Escogemos Vbb = 5V por ser un valor coincidente con la tecnología TTL, así este circuito puede ser implementado en otros ámbitos con compuertas digitales.
Ahora solo nos falta diseñar la resistencia R, para ello aplicaremos la Ley de Corrientes de Kirchhoff en el nodo formado por R, Rf y R1, así y despejando el valor de R tenemos que: VR / R = Ib + (Vbb / Rf), es decir: 7V / R = 140.47 µA + (5V / 10kΩ) Así tenemos que R = 10.92kΩ Para este montaje se usó como R una resistencia de 10kΩ y como R1 una resistencia de 47kΩ como valor más cercano al calculado debido a que no se tenía a disposición alguna de un valor más exacto.
Funcionamiento del circuito: Cuando la fotorresistencia (Rf) está expuesta a la luz su valor es muy bajo, por lo que la caída de tensión en la misma también es muy baja y por tanto no logra polarizar el transistor, al este no estar polarizado actúa como un interruptor abierto y no permite el paso de corriente a través del relé por lo cual no se activa y el diodo D1 no prende. Posteriormente, al cubrir Rf su resistencia aumenta y el voltaje de la misma también, logrando así polarizar el transistor que deje fluir la corriente logrando activar el relé de tal manera que ahora el diodo D1 estará prendido y el diodo D3 estará apagado.
Verificando el montaje realizado, se determinó que cuando el voltaje en la fotorresistencia es de 4.95V el relé se activa con una tensión de 10.12V aplicados en su bobina.
Conclusiones generales de la práctica Para comprender mejor la razón de ser de los circuitos de polarización hemos llevado a cabo esta práctica empleando un transistor NPN, con la finalidad de conocer su comportamiento. Esta práctica estuvo enfocada en el estudio de diferentes circuitos de polarización del transistor, los cuales le confieran una aceptable estabilidad de funcionamiento, de manera que se pueda elegir cuál de estas configuraciones es la ideal para las diferentes aplicaciones de un transistor.
En cuanto a polarización, se hizo evidente que en algunos casos no se necesita un voltaje muy alto para polarizar al transistor, como se vio en la primera parte de la práctica, asimismo no es necesario que el voltaje sea mayor a los 5 voltios para que el transistor se sature. En este orden de ideas, con la aplicación práctica se hizo notar la utilidad del transistor como interruptor cosa que viene relacionada con dos de sus regiones de operación (corte y saturación).
Por otro lado, se pudo notar en las distintas configuraciones circuitales el cambio en los distintos parámetros del transistor, como lo son Ib, Ic, Vce. En el circuito de auto polarización la corriente Ib la proporciona Vcc a través de la resistencia Rb y es prácticamente constante. Al agregar la resistencia Re, esta genera cambios en Ic y por tanto cambios en Ib y al ser Re una resistencia grande también lo será Ve disminuyendo Vce, pudiendo entrar el transistor en saturación. Con respecto al circuito de realimentación por colector, la estabilización es mayor, compensando las variaciones, ofreciendo como principal ventaja que el transistor no se llegue a saturar.
Entre otras cosas, podemos verificar con todas las mediciones hechas para cada tipo de polarización que la relación β de corrientes en el transistor solo se cumple cuando este está trabajando en su zona activa. Cuando el transistor entra en su zona de saturación la corriente Ic pasa a ser máxima limitada solo por el circuito a la salida del transistor y la corriente Ib está dada por Vbb y Rb, por ello se rompe esa relación β y no es válida para esta zona de trabajo del transistor.
Para finalizar, durante el transcurso de la práctica fue evidente que una resistencia en el emisor puede afectar los valores de salida de un circuito con transistor en configuración emisor común como los empleados en las actividades realizadas, cuestión que se debe tener en cuenta al implementar cualquiera de dichos circuitos utilizados
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