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PRÁCTICA DE LABORATORIO: CONFIGURACIÓN DARLINGTON, CASCODE, FUENTE DE CORRIENTE Y ESPEJO DE CORRIENTE CON TRANSISTORES. Angie Maritza Díaz (20121007035), Juan José Burgos Calvache (20131007022) Bogotá D.C. Universidad Distrital Francisco José de Caldas RESUMEN En este documento de laboratorio se mostrara y se explicara con profundidad las características de voltaje y de corrientes en los transistores, en esta configuración mostrara que el dispositivo sea capaz de proporcionar una gran ganancia de corriente y, al poder estar todo integrado, requiere menos espacio que dos transistores normales en la misma configuración. La ganancia total del Darlington es el producto de la ganancia de los transistores individuales. Abstract: This document laboratory will be shown and explained in depth the characteristics of voltage and current in transistors , in this configuration showed that the device is able to provide a current gain and power be integrated whole, it requires less space two normal transistors in the same configuration . The overall gain of the Darlington is the product of the gain of the individual transistors.

INTRODUCCION. En este documento se mostraran datos propios de los transistores como voltajes (VBE, VCE, VBC) y corrientes de cada terminal (IB, IC, IE), verificación del nivel de amplificación de la corriente, en combinación de elementos resistivos y fuentes DC. Montaremos diferentes esquemas para la verificación de todos los parámetros. OBJETIVOS 

Probar experimentalmente configuraciones avanzadas de uso de transistores en la región lineal.



Medir Voltajes y corrientes en las configuraciones avanzadas de transistores.

1. Transistor BJT. El transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. La denominación de bipolar se debe a que la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones; pero tienen ciertos inconvenientes, entre ellos su impedancia de entrada bastante baja. Los transistores bipolares son los transistores más conocidos y se usan generalmente en electrónica analógica aunque también en algunas aplicaciones de electrónica digital, como la tecnología TTL o BICMOS. Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan formadas tres regiones:  Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Su nombre se debe a que esta terminal funciona como emisor de portadores de carga.  Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.

 Colector, de extensión mucho mayor.

Fig. 1 Transistores tipo NPN y PNP.

Fig. 2 Curva de operación del transistor.

En una configuración normal, la unión base-emisor se polariza en directa y la unión base-colector en inversa. Debido a la agitación térmica los portadores de carga del emisor pueden atravesar la barrera de potencial emisor-base y llegar a la base. A su vez, prácticamente todos los portadores que llegaron son impulsados por el campo eléctrico que existe entre la base y el colector.

2. Transistor tipo NPN.

Un transistor NPN puede ser considerado como dos diodos con la región del ánodo compartida. En una operación típica, la unión base-emisor está polarizada en directa y la unión base-colector está polarizada en inversa. En un transistor NPN, por ejemplo, cuando una tensión positiva es aplicada en la unión base-emisor, el equilibrio entre los portadores generados térmicamente y el campo eléctrico repelente de la región agotada se desbalancea, permitiendo a los electrones excitados térmicamente inyectarse en la región de la base. Estos electrones "vagan" a través de la base, desde la región de alta concentración cercana al emisor hasta la región de baja concentración cercana al colector. Estos electrones en la base son llamados portadores minoritarios debido a que la base está dopada con material P, los cuales generan "huecos" como portadores mayoritarios en la base. La región de la base en un transistor debe ser constructivamente delgada, para que los portadores puedan difundirse a través de esta en mucho menos tiempo que la vida útil del portador minoritario del semiconductor, para minimizar el porcentaje de portadores que se recombinan antes de alcanzar la unión base-colector. El espesor de la base debe ser menor al ancho de difusión de los electrones.

NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación. Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la "base") entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisor-común es amplificada en la salida del colector. La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.

Fig. 3 Transistor tipo NPN (Transistor de unión bipolar) 3. Transistores tipo PNP. El otro tipo de transistor de unión bipolar es el PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias.

Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector.

utilizar el transistor como un amplificador de señal. 

Región inversa: Al invertir las condiciones de polaridad del funcionamiento en modo activo, el transistor bipolar entra en funcionamiento en modo inverso. En este modo, las regiones del colector y emisor intercambian roles. Debido a que la mayoría de los BJT son diseñados para maximizar la ganancia de corriente en modo activo, el parámetro beta en modo inverso es drásticamente menor al presente en modo activo.



Región de corte: Un transistor está en corte cuando:

La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.

Corriente de colector = corriente de emisor = 0, (Ic = Ie = 0). En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de alimentación del circuito. Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0 (Ib =0). De forma simplificada, se puede decir que el la unión CE se comporta como un circuito abierto, ya que la corriente que lo atraviesa es cero.

Fig. 4 Transistor tipo PNP (Transistor de unión bipolar)  4. Regiones operativas del transistor. Los transistores de unión bipolar tienen diferentes regiones operativas, definidas principalmente por la forma en que son polarizados:



Región activa en cuanto a la polaridad: Corriente del emisor = (β + 1)·Ib ; Corriente del colector= β·Ib. Cuando un transistor no está ni en su región de saturación ni en la región de corte entonces está en una región intermedia, la región activa. En esta región la corriente de colector (Ic) depende principalmente de la corriente de base (Ib), de β (ganancia de corriente, es un dato del fabricante) y de las resistencias que se encuentren conectadas en el colector y emisor. Esta región es la más importante si lo que se desea es

Región de saturación: Un transistor está saturado cuando: Corriente de colector ≈ corriente de emisor = corriente maxima, (Ic ≈ Ie = Imax). En este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentación del circuito y de las resistencias conectadas en el colector o el emisor o en ambos. Se presenta cuando la diferencia de potencial entre el colector y el emisor desciende por debajo del valor umbral VCE,sat. Cuando el transistor esta en saturación, la relación lineal de amplificación Ic=β·Ib (y por ende, la relación Ie=(β+1)·Ib ) no se cumple.

De forma simplificada, se puede decir que la unión CE se comporta como un cable, ya que la diferencia de potencial entre C y E es muy próxima a cero. Como se puede ver, la región activa es útil para la electrónica analógica (especialmente útil para amplificación de señal) y las regiones de corte y

saturación, para la electrónica digital, representando el estado lógico alto y bajo, respectivamente. Para nuestro caso, se ingresa una señal AC, pero el circuito de polarización se puede considerar igual que DC, con algunas anotaciones de amplificación y criterios de diseño.

5. Amplificación en cascada. Una configuración muy popular de amplificación, es la llamada amplificación en cascada con acoplamiento capacitivo. Éste modelo permite que la señal de salida de una etapa se convierta en la señal de entrada de la etapa siguiente, y así sucesivamente. Esto permite que haya una amplificación mayor que un circuito polarizado de manera individual. Un amplificador en cascada es un amplificador construido a partir de una serie de amplificadores, donde cada amplificador envía su salida a la entrada del amplificador al lado de una cadena.

Figura 5. Transistor Darlington, en configuración seguidor de emisor.

7. Configuración Cascode.

6. Configuración Darlington.

En este tipo de circuito, como se muestra en la figura E11-2, provee un amplificador de emisor común (AEC) conformado por el transistor Q1, directamente conectado a un amplificador de base común (ABC) conformado por Q2.

Una conexión de transistores en Darlington como se muestra en el circuito de la figura E11-1, utiliza un par de transistores BJT con ganancias β1 y β2, respectivamente un solo encapsulado con un beta efectivo βD = β1 = β2.

La ganancia de voltaje dada por AEC es aproximadamente 1 pero con carácter inversor A v1 = -1. Mientras que la ganancia de voltaje dad por el ABC es Av2 = RC / re2. La ganancia de voltaje total queda dada por (4):

Utilizar un transistor Darlington para construir un seguidor de emisor, hace que este tenga una impedancia de entrada mayor que si se construyera con un transistor convencional, dado que: Z 1=R B II (β D R E ) (1) Mientras que la impedancia de salida queda dada por: Z O =r e (2) La ganancia de voltaje (AV) queda dada por (3):

AV =

RE R E +r e

(3)

AV =

−R C r e2

(4)

Donde re se usa para denotar la resistencia dinámica del transistor y se calcula como: re = 26mV/ Ie. 8. Fuente de Corriente La figura E11-3 muestra una forma amplificada de un transistor JFET utilizado como fuente de corriente. Al conectar su terminal de Gate directo a tierra, el transistor espera en estado de saturación con una corriente Drain-Source casi constante independientemente de la carga que se conecte (RL). La figura E11-3 muestra también una fuente de corriente construida mediante un transistor BJT. En este caso, el voltaje en la base está dado por:

V B =−V SE

R1 R 1+ R 2

(5)

La misma figura E11-4 muestra como el efecto del espejo de corriente se puede extender a más de una corriente de carga.

Si se considera que V E = VB – 0.7V, entonces, la corriente IE, se mantiene casi constante y dada por:

I E=

V E−V SE =I L RE

(6)

Figura 8. Espejos de corriente.

I. MATERIALES Y EQUIPOS. - Multímetro. - Transistores 2n222, 2N3823, TIP120 - Resistencias de diversos valores. - Capacitores de 1 nF 10 μF, o similares. - Osciloscopio. - Generador de señales. - Fuente de voltaje reguladora.

Figura 6. Amplificador Cascode.

II. PROCEDIMIENTO PARTE A – SEGUIDOR DE EMISOR CON TRANSISTOR DARLINGTON

Figura 7. Fuentes de Corriente. 9. Espejo de Corriente En la figura E11-4 se muestra un espejo de corriente, en el cual la corriente que se establece ajustando el valor de la resistencia RX se refleja en la corriente que se hace pasar a través de la carga RL.

V −V BE I X = CC =I L RX

(7)

Fig 9. Simulación Darlington en configuración emisor seguidor.

Vb (V)

Calculado

Medido

% diferencia

6.578

6.4

2.7

Ve (V)

5.1

4.89

Av

0.99

0.98

4.11 1.01

Zi (ohm) 7.5x10^3 7.203 x10^3

4.12

Zo (ohm)

3.84

0.25

0.26

PARTE C – FUENTE DE CORRIENTE JFET.

Tabla 1. Valores calculados. PARTE B – AMPLIFICADOR CASCODE.

Fig 12. Simulación fuentes de corriente JFET. Fig 10. Simulación Amplificador cascode. Calculado

Medido

% Diferencia

Vb1

11.87 V

12.06 V

1.57

Vc1

11.74 V

11.5 V

2.04

Ve1

11.1 V

11.4 V

2.6

Vb2

5.34 V

5.4 V

1.11

Vc2

11.1 V

11.4 V

2.6

Ve2

4.64 V

4.8 V

3.33

Ie1

4.61 mA

4.9 mA

5.9

Ie2

4.6 mA

4.8 mA

4.16

re1

5.64 ohm

5.3 ohm

6.02

re2

5.65 ohm

5.4 ohm

4.42

Av

-318.5

- 333.33

4.45

RL (ohm)

IL calculada (A)

IL medida (A)

20

-0.44

-0.42

50

-0.181

-0.183

80

-0.114

-0.117

100

-0.091

-0.087

150

-0.061

-0.063

Tabla 3. Valores calculados. PARTE D – FUENTE DE CORRIENTE BJT.

Tabla 2. Valores calculados.

Fig 13. Simulación fuentes de corriente BJT. Fig 11. Señales de entrada y salida amplificada.

RL (kilo

3.6

4.3

5

7.5

ohm) Ve (V) Vc (V) Ie (mA) Ie calc (mA)

-6.71 -6.698 0.765 0.759

-6.638 -6.626 0.781 0.782

-6.585 -6.571 0.794 0.792



Según los esquemas de conexión de los transistores tipo BJT podemos reducir el circuito con un equivalente de voltaje y de resistencia thevenin, lo que nos permitirá reducir el circuito de 3 mallas a 2 mallas con 2 incógnitas las cuáles serán las corrientes propias de cada terminal del transistor (IB, IC, IE).



Para análisis de Ac de un transistor tenemos en cuenta el modelo re, que nos propone un método más accesible al análisis de polarización y amplificación del transistor.



El nivel de amplificación está directamente relacionado con la resistencia de emisor, puesto que si conectamos un condensador en paralelo a dicha resistencia, en análisis de ac, ésta se omite y por lo tanto aumenta el nivel de amplificación.



Según el montaje nos damos cuenta que en la primera etapa el circuito genera una señal desfasada 180 grados y no amplifica, en la segunda etapa el circuito en paralelo de los dos transistores nuevamente desfasa el circuito 180 grados y amplifica su señal inicial como lo vemos en las imágenes.

-6.47 -6.454 0.821 0.82

Tabla 4. Valores calculados. PARTE E. ESPEJOS DE CORRIENTE.

Parte F – Espejo de corriente múltiple RL (kilo ohm)

10

3.6

Vb1 (V)

-9.642

-9.642

Vc2 (V)

-10

-10

Ix-calc (A) IL (A)

-358.16 x10^6 -357.994 x10^6 -357.926 x10^6 1.776 x10^-6

-1.776 REFERENCIAS x10-6

0

Tabla 5. Valores calculados. III. CONCLUSIONES 



El funcionamiento de un transistor BJT, ya sea de tipo NPN o PNP depende puramente de la polarización que se conecte a las terminales del transistor, una polarización incorrecta hará que el circuito conectado al transistor funcione mal y las medidas que tomemos estarán incorrectas. El valor de las corrientes de colector según las mediciones tienden a ser iguales o aproximadas a las corrientes de emisor, por lo tanto podemos decir que IC=IE. La razón principal de este fenómeno viene dada a que IB tiende a cero en rangos de pico amperios entonces tendríamos que: IE=IC+IB IE= IC+0 IE= IC

    

http://www.sciencedirect.com/ http://www.elsevier.com/ http://www.ieeexplore.ieee.org/Xplore/ho me.jsp JOHNSON, HILBURN Y JOHNSON. “Análisis Básico de Circuitos Eléctricos” Editorial Prentice Hall Inc. Mexico. 1991. BOYLESTAD, ROBERT L. “Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos"...