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INFORME DE PRÁCTICA DE LABORATORIO N°2 FR-FAC-PAC-GLB-018

Versión: 03

Fecha: 11/12/2018

ELECTRÓNICA Y LABORATORIO Carrera: Ing. Mecatrónica Nivel y paralelo: 4° “A” Fecha de práctica: 21/05/2019 Fecha presentación informe:28/05/2018 N.º de Práctica: 4

Integrante Miranda Diego

Informe N.º: 4

TÍTULO DE LA PRÁCTICA: DISEÑO DE AMPLIFICADORES CON BJT 1. OBJETIVOS: General: Analizar y corroborar el principio de funcionamiento de los transistores de juntura bipolar (BJT), en función de la configuración circuital en la que se encuentren inmersos, con enfoque hacia una amplificación de voltaje dada; con base en el análisis conceptual y cálculo analítico de componentes pasivos.

Específicos: - Diseñar gráficamente esquemas circuitales en conformidad con los parámetr os iniciales de diseño dados, tomando como punto de referencia la disposición circuital de los elementos inmersos en la configuración de emisor y base común, en pos de amplificar 0.5 V pico alternos de entrada, bajo un factor de amplificación de -20.

- Realizar un análisis en DC, posteriormente en AC de los circuitos estructurados, previo al desarrollo experimental

de

la

práctica,

en

pos

de

determinar

los

valores

de

polarización

de:

𝐼𝐵 , 𝐼𝐶 , 𝐼𝐸 , 𝑉𝐶 , 𝑉𝐶𝐸 , 𝑉𝐵 , 𝑉𝐸 𝑦 𝑉𝑜 ; asumiendo condiciones de trabajo mínimas y máximas en base a la ficha técnica del transistor con el que se trabajará, un 2N2222, por ende, reduciendo el número de incógnitas con el que se realizará el análisis, facilitando el cálculo de los resistores para cumplir con un factor de amplificación de voltaje de -20.

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- Vincular el conocimiento teórico previo adquirido con respecto a los transistores de juntura bipolar (BJT), con su posible comportamiento en condiciones reales delimitadas por inminentes fluctuaciones de sus valores de corriente y voltaje producto de variaciones de β, remontadas a factores físicos complejos de controlar; para determinar la veracidad de los valores obtenidos en función de su margen de error. - Obtener las gráficas de entrada y salida de voltaje en función de su alimentación alterna con 𝑉𝑖 (𝑡) = 0.5 𝑠𝑒𝑛 𝑤𝑡 a una frecuencia de 2 KHz para establecer una relación entrada-salida de voltaje, por ende, corroborar el óptimo funcionamiento de cada esquemático en particular, subsecuentemente, la zona de trabajo de los transistores inmersos en estas, sin dejar de lado el cálculo de voltajes y corrientes experimentalmente, para poder cuantificar las relaciones y establecer conclusiones en conformidad a magnitudes físicas que delimitan el comportamiento de los circuitos.

2. INTRODUCCIÓN: La dificultad de análisis y subsecuente realización de estudios investigativos bajo parametrización de datos puntuales que describen

fenómenos,

comportamientos

y

aplicaciones

diferentes que necesitan innovación y perfeccionamiento en pos de satisfacer necesidades humanas, ha hecho trascender a la idea de los circuitos con transistores de juntura bipolar, conocidos por sus siglas BJT; dispositivos de estado sólido (semiconductores)

denominados

bipolares

por

su

funcionamiento dependiente del flujo de dos tipos de portadores

Ilustración 1: Transistor 2N2222, recuperado de: https://ztrobotic.com/product/transistor-2n2222/

de carga: electrones y huecos; compuestos por tres terminales dopadas; un emisor, una base y un colector, que forman dos uniones PN yuxtapuestas que se interrelacionan entre sí, funcionamiento que viene dado según lo destaca Thomas Kubala en el texto “Electricidad 1”, “ (…) por la emisión de portadores (electrones) a partir de la terminal homologa al nombre; (…) recepción por parte del colector

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y modulación del paso de estos por parte de la base” (Kubala, 1980) ; así de manera simplificada, la corriente que circula por el colector es una función amplificada de la que se inyecta en el emisor, pero el transistor solo gradúa la corriente que circula a través de sí mismo si desde una fuente de corriente continua se alimenta la base para que circule la carga por el colector, según el tipo de circuito que se utilice; lo cual también aumenta o disminuye la dependencia de voltaje y corrientes con respecto al factor de amplificación β; es así que de manera general, “el transistor es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para entregar una señal de salida en respuesta a una señal de entrada.” (Boylestad & Nashelsky, 1997); principio que se pretende demostrar mediante la vinculación teóricomatemática y de la praxis a realizar, bajo parámetros de diseño previos que apuntan hacia la amplificación de voltaje mediante el empleo de distintas configuraciones circuitales en pro del establecimiento de relaciones de trabajo inherentes a cada uno de estos, sus pros y contras a fin de establecer características que nos ayuden a decantarnos por el uso de cualquiera de estos dependiendo de la situación, es así que se indagará de manera breve en información relativa a la configuración de emisor común y base común como amplificadores de voltaje.

•

Amplificador en emisor común

Amplifica una señal alterna en la entrada, mediante la modificación de la tensión de base-emisor del circuito, por consiguiente, la 𝐼𝑏 , depende de la conducción de transistor. Pues al aparecer a la entrada el semiciclo positivo de una señal alterna; a través del condensador de acople 𝐶1 , se elevará la tensión de base, y, por tanto, la de base-emisor; esto hace que aumente 𝐼𝐵 , y se reduzca la barrera entre base y colector. Obteniendo como resultado una mayor conducción del transistor, por ende, aumento de 𝐼𝐶 y 𝑉𝑅𝐶 , y decreciendo por el

Ilustración 2: Amplificador en emisor común, recuperado de: http://roble.pntic.mec.es/jlop0164/archivos/polari zacion-transistor.pdf

contrario entre el emisor y el colector; es así como el voltaje de colector antes constante disminuye transmitiendo un voltaje de salida amplificado pero desfasado 150°;

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por otra parte en lo que respecta el semiciclo negativo cuando entra al circuito a través del capacitor de entrada el voltaje de base disminuye, subsecuentemente, 𝑉𝐵𝐸, por lo tanto también 𝐼𝐵 ; creciendo así la barrera entre base y colector por lo que el transistor conducirá menos por la baja de 𝐼𝑐 . Así, aumenta 𝑉𝐸 y al haber menos corriente, baja la tensión en la resistencia de carga. El efecto es que la tensión de colector sube en el condensador de salida y transmite esta variación a la salida con el desfase de 180º indefinidamente. (Boylestad & Nashelsky, 1997)

•

Amplificador en base común

Esta configuración se usa en aplicaciones de alta frecuencia porque la base separa la entrada de la salida, minimizando las oscilaciones a altas frecuencias. Tiene una alta ganancia de voltaje, relativamente baja impedancia de entrada y alta impedancia de salida en comparación con el de colector común. Ilustración 3: Amplificador base común, recuperado de: http://hyperphysics.phyastr.gsu.edu/hbasees/Electronic/npncb.html

3. METODOLOGÍA: Sabiendo que el objetivo general de la práctica en cuestión es la corroboración de los principios de la electrónica en materia de diseño y análisis de señales de salida en respuesta a señales de entrada en cualquier tipo de carga conectada a un circuito con transistores, se detallará sistemáticamente el proceso seguido para dar un cumplimiento estricto a los pasos que serán detallados a posteriori y que fueron seguidos en pro del cumplimiento de los objetivos planteados:

3.1 Resolución analítica de los circuitos proporcionados 3.1.1 Se determinó la cantidad de circuitos a diseñar, la configuración que debían cumplir y el factor de amplificación para el cual debían trabajar; de tal manera que hubo la posibilidad de realizar

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estimaciones sobre el posible funcionamiento de cada circuito en particular con respecto a las condiciones de trabajo en base al modelo del transistor e información proporcionada por su ficha técnica y la alimentación a recibir.

3.1.2 Se realizó el análisis en CD y CA de cada uno de los circuitos una vez que fueron diseñados gráficamente; obteniendo mediante la aplicación conjunta de Leyes de Voltajes de Kirchhoff y principios electrónicos inherentes a los transistores; principalmente relaciones entre ganancia y corriente;

los

siguientes

valores

de

tensión,

corriente

y

resistencia:

𝐼𝐵 , 𝐼𝐶 , 𝐼𝐸 , 𝑉𝐶 , 𝑉𝐶𝐸 , 𝑉𝐵 , 𝑉𝐸 , 𝑅𝐸 , 𝑅𝐶 , 𝑅𝐵 3.1.3

Una vez obtenidos los valores de las incógnitas planteadas, se procedió a verificar la validez de los resultados mediante simulaciones con la herramienta CAD, Proteus; al mismo tiempo sirviendo como método de validación de los resultados a obtener en la praxis a posteriori, destacando un inminente margen de error, producto de β y su inestabilidad relacionada a factores físicos, al igual que errores en estimaciones por parte del practicante en lo que respecta resistencias.

3.2 Construcción de los circuitos y cálculo de valores de corriente y voltaje experimentalmente 3.2.1 Usando los esquemáticos elaborados bajo los parámetros de diseño y fichas técnicas de los elementos a emplear como guía para la realización de la presente práctica de laboratorio, se procedió a la construcción de cada uno de estos teniendo en consideración conceptos previos analizados en clase, para evitar cometer errores de polarización o conexión de elementos pasivos sobre todo, enfocando esfuerzos en los transistores y la configuración del circuito en el cual se encuentran inmersos, pues eso delimita su relación de entrada y salida, subsecuentemente, la finalidad del circuito y valores de sus variables físicas como corriente y voltaje; además se establecieron conclusiones previas al cálculo analítico de los factores físicos que intervienen en el circuito, como la relación de las fuentes de voltaje directo y el funcionamiento en cortocircuito de los capacitores , así como la diferencia propiamente de su funcionamiento en CA.

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3.2.2 Se analizaron los componentes tanto pasivos como activos inmersos en cada uno de los circuitos proporcionados, los cuales tras un previo proceso de análisis matemático en materia de corrientes y voltajes que circulan por el circuito, fueron adquiridos en una tienda electrónica teniendo en consideración su dimensionamiento acorde a los cálculos, garantizando su resistencia a la potencia inmersa en el circuito; es así que de esta manera se decantó por la selección de componentes pasivos a ½ W.

3.2.3 En el laboratorio de mecatrónica se procedió a pedir el material necesario para la medición de señales y alimentación de los circuitos armados previamente, se verificó su correcto funcionamiento y se procedió a someterlos a una diferencia de potencial tanto directa con una fuente DC como a una alterna con un generador de ondas en base a los valores especificados en la guía de laboratorio, para graficar en el osciloscopio su señal en la resistencia de carga y establecer comparaciones con su señal de entrada en función de sus voltajes; sin dejar de un lado la medición de las variables calculadas analíticamente con la ayuda de un multímetro. 4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN: 4.1 Resolución analítica de los circuitos y proceso de graficación. En el presente numeral se detallará el proceso sistemático seguido mediante cálculos aritméticos en pos de la obtención del voltaje de salida, subsecuentemente señal en torno a este, sobre una rama específica de los esquemáticos planteados a continuación; de tal manera que se pueda generar una idea previa al cálculo experimental sobre estos circuitos, que nos brinden información relevante y predictiva acerca del comportamiento de estos; y sea posible la cuantificación y/o selección de valores inherentes a cada uno de los elementos pasivos que componen los esquemáticos, evitando su mal funcionamiento o daño repentino durante la experimentación, destacando de igual manera la medición de variables de voltaje y corriente que circulan tanto por el transistor como por los demás elementos de los circuitos proporcionados.

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Ilustración 4: Trabajo preparatorio pág.1

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Ilustración 5: Trabajo preparatorio pág.2

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Ilustración 6: Trabajo preparatorio pág.3

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4.2 Análisis del circuito amplificador en emisor común 4.2.1 Simulación mediante uso del software de diseño electrónico, Proteus.

V1 25V

RC 5K

+13.8

+13.3

AC Volts

+24.4

RB

AC Volts

820k

AC Volts

+7.41 AC Volts

A

C2 +1.48 AC mA

B

5k

C

+3.77

AC mA

+0.60

10uF

R4

D

AC Volts

C1

Q1 2N2222

+15.2 AC Volts

10uF

AC mA

+3.83

+0.35 AC Volts

RE 47

+180 AC mV

Ilustración 7: Simulación del circuito amplificador en emisor común, haciendo uso de la herramienta Proteus

4.2.2 Onda de voltaje de entrada y de salida Rosada: Onda de entrada Amarilla: Onda de salida

Ilustración 8: Onda de voltaje de entrada y salida en el amplificador en emisor común con Av=-20.

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4.2.3 Resultados obtenidos analíticamente Tabla de elementos activos

•

N°

ELEMENTO PASIVO

NOTACIÓN

1

Fuente de voltaje alterno

----------------

VOLTAJE [V] 0.5 𝑉𝑝𝑖𝑐𝑜 0.35 𝑉𝑅𝑀𝑆

2

Fuente de voltaje directo

V1

25

Tabla de voltajes y corrientes en el transistor

•

CORRIENTES Y VOLTAJES EN EL TRANSISTOR ELEMENTO

MODELO

𝐼𝐵 [𝜇𝐴]

𝐼𝐶 [𝑚𝐴]

𝐼𝐸 [𝑚𝐴]

𝑉𝐶 [𝑉]

𝑉𝐶𝐸 [𝑉]

𝑉𝐵 [𝑉]

𝑉𝐸 [𝑉]

Transistor

2N2222

26.67

2.00

2.03

15.00

14.52

1.18

0.48

Tabla de voltajes y corrientes en los elementos pasivos

•

N°

ELEMENTO PASIVO

NOTACIÓN

VOLTAJE [V]

CORRIENTE

POTENCIA

1

𝑉𝑅𝐸

RE

0.48

2.03 mA

0.97 mW

2

𝑉𝑅𝐵

RB

21.86

2.67 × 10−4 A

5.83 mW

3

𝑉𝑅𝐶

RC

10

2 mA

0.02 W

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4.2.4 Resultados experimentales •

Onda de voltaje de entrada y salida en el osciloscopio

Ilustración 9: Onda de voltaje de entrada y salida en el amplificador de voltaje en emisor común con Av =-20.

•

Tabla de valores experimentales ONDA DE VOLTAJE DE ENTRADA N°

FACTOR

VALOR

1

Frecuencia

2.012 kHz

2

Voltaje pico

0.490 V

ONDA DE VOLTAJE DE SALIDA N°

FACTOR

VALOR

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1

Frecuencia

2.012 kHz

2

Voltaje pico

10.500 V

4.2.5 Determinación de errores TABLA DE ERRORES MAGNITUD

•

VALOR TEÓRICO

VALOR MEDIDO

ERROR ABSOLUTO

ERROR RELATIVO

ERROR %

Voltaje de salida

10 V

10.50 mV

0.50

0.05

5.00%

Voltaje de entrada

0.50 V

0.49 V

0.01

2 × 10−4

0.02%

Frecuencia

2 KHz

2.012 KHz

0.012

1 × 10−3

0.01%

𝑉𝐶

15 V

13.82 V

1.18

1.67 × 10−3

0.20%

𝑉𝐶𝐸

14.52 V

15.20 V

0.68

0.047

4.68%

𝑉𝐵

1.18 V

1.30 V

0.12

0.10

10.00%

𝑉𝐸

0.48 V

0.35 V

0.13

0.27

27.00%

𝑉𝑅𝐶

10.00 V

13.80 V

3.80

0.38

38.00%

Cálculo analítico de errores

Cálculo del error absoluto y relativo de los valores 𝐸𝑎 = |𝑥𝑖 − 𝑥 | Xi=Valor medido x= Valor real 𝐸𝑟 =

∆𝑥 (𝐸𝑟𝑟𝑜𝑟 𝑎𝑏𝑠𝑜𝑙𝑢𝑡𝑜) 𝑥 (𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑟𝑒𝑎𝑙)

𝐸𝑟 = |

𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑒𝑥𝑝𝑒𝑟𝑖𝑚𝑒𝑛𝑡𝑎𝑙 − 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜 | 𝑉𝑎𝑙𝑜𝑟 𝑡𝑒ó𝑟𝑖𝑐𝑜

𝐸% = 𝐸𝑟 ∗ 100%

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4.3 Análisis del esquemático N°2 4.3.1 Simulación del esquemático N°2 mediante uso del software de automatización de diseño electrónico, Proteus.

+9.97 AC Volts

Q1

2N2222

C1

R1

+0.69

R2

+9.02

10uF

270

AC Volts

3900

AC Volts

C2

10uF

+1.11

AC mA

+2.31

AC mA

+2.56

AC mA

+4.35

AC mA

A

BAT1

BAT2

1V

15V

R3 5.1K

B +5.67

C

AC Volts

D

Ilustración 10: Simulación de circuito amplificador de voltaje en base común haciendo uso de la herramienta Proteus

4.3.2 Onda de voltaje de entrada y salida Azul: Onda de entrada Amarilla: Onda de salida

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Ilustración 11: Onda de entrada y salida de un circuito amplificador de voltaje en base común con AV=-15

4.3.3 Resultados obtenidos analít...