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Polarización de transistores bipolares



    1. Objeto de la
      práctica
    2. Elementos de circuito e
      instrumentos a utilizar
    3. Circuitos a
      utilizar
    4. Análisis
      teórico
    5. Valores
      Medidos
    6. Comportamiento con respecto a
      la variación de la temperatura
    7. Cálculo de la
      desviación relativa de la muestra
    8. Conclusiones
    1. Encontrar el circuito de polarización
      más estable en función de la dispersión del HFE
      de los transistores de un mismo tipo (debido a las
      tolerancias en la fabricación), y a la
      variación de la temperatura ambiente.
      Se compararán los tres circuitos
      de polarización más utilizados; utilizando 5
      muestras de transistores que representan las dispersiones
      típicas en la fabricación, que existirán
      entre ellos.

      Para facilitar la comparación se
      confeccionarán tablas y además se calcularan
      los
      valores de dispersión relativa de los
      parámetros fundamentales para la determinación
      del punto Q, los cuales también serán llevados
      a una tabla para facilitar su comparación.

    2. Objeto de la
      práctica:

      1. Fuente de Tensión: Leader LPS-164A (n de
        serie 7080107)

        1. YFE-YF-3502 (n de serie
          041101287)
        2. Beckman Industrial DM27XL (n de serie
          20802482)
      2. Tester:
      3. Resistores: 1M5, 1M2, 4k7, 180k, 100k 3k3,
        1k2.
      4. Transistor PNP 2SA733
      5. Termómetro de contacto con indicador
        digital.
      6. Calefactor portatil
      7. Protoboard
    3. Elementos de
      circuito e instrumentos a utilizar:
    4. Circuitos a
      utilizar:

    IBQ constante o polarización
    fija (Cto.1) Realimentación por
    colector(Cto.2)

    Polarización por divisor de
    tensión (Cto.3)

    4. Análisis
    teórico:

    5. Valores
    Medidos:

    HFE:

    • Muestra 1: 177
    • Muestra 2: 199
    • Muestra 3: 223
    • Muestra 4: 244
    • Muestra 5: 272

    Resistores:

    Circuito 1

    • RB= 1,537 MΩ
    • RC= 4,71 KΩ

    Circuito 2

    • RB= 1,276 MΩ
    • RC= 4,74 KΩ

    Circuito 3

    • R1= 98,9 KΩ
    • R2= 182,3 KΩ
    • RC= 1,187 KΩ
    • RE= 3,19 KΩ

    TABLAS

    NOTA: se utilizará la
    técnica de cálculo en
    lugar de medición directa para las corrientes en
    función de los instrumentos que posee el laboratorio y
    también evitar los errores sistemáticos de carga de
    la R interna del voltímetro. Así IB, en las dos
    primeras figuras se calculará como IB =(VCC-VBEQ)/RB y IB
    =(VCEQ-VBEQ)/RB; donde la RB se medirá con el
    óhmetro digital; en general las mediciones tendrán
    una exactitud mejor que el 1%, lo cual es perfectamente
    aceptable, considerando que las tolerancias de los componentes
    será por lo menos 5 veces mayor.

    El cálculo en el circuito de polarización
    por divisor será IB = IR1-IR2, donde IR1 =VR1/R1 y IR2
    =VR2/R2.Para las IC será VRC/RC.

    • Tabla 1

    IBQ CONSTANTE

    VALOR TEORICO

    VALOR PRACTICO

    IBQ [μA]

    ICQ[mA]

    VCEQ[V]

    HFE

    IBQ [μA]

    ICQ[mA]

    VCEQ[V]

    HFE

    muestra n°

    7,57

    1,51

    4,89

    200

    7,38

    1,34

    5,69

    177

    1

    7,38

    1,5

    4,94

    199

    2

    7,38

    1,64

    4,28

    223

    3

    7,38

    1,79

    3,55

    244

    4

    7,38

    1,99

    2,61

    272

    5

    • Tabla 2

    REALIMENTACION POR
    COLECTOR

    VALOR TEORICO

    VALOR PRACTICO

    IBQ[μA]

    ICQ[mA]

    VCEQ[V]

    HFE

    IBQ[μA]

    ICQ[mA]

    VCEQ[V]

    HFE

    muestra n°

    6,71

    1,34

    8,7

    200

    6,4

    1,25

    9,1

    177

    1

    5,98

    1,33

    8,69

    199

    2

    5,78

    1,4

    8,36

    223

    3

    5,58

    1,47

    8,03

    244

    4

    5,26

    1,55

    7,6

    272

    5

    • Tabla 3

    POLARIZACION POR DIVISION DE
    TENSION EN LA BASE

    VALOR TEORICO

    VALOR PRACTICO

    IBQ[μA]

    ICQ[mA]

    VCEQ[V]

    HFE

    IBQ[μA]

    ICQ[mA]

    VCEQ[V]

    HFE

    muestra n°

    9,75

    1,95

    3,23

    200

    11,04

    1,98

    3,33

    177

    1

    10,05

    2,01

    3,19

    199

    2

    9,26

    2,03

    3,11

    223

    3

    8,49

    2,05

    3,04

    244

    4

    7,71

    2,06

    2,96

    272

    5

    1. Comportamiento con respecto a la
      variación de la temperatura:

    Se elegirá la muestra
    1,para todos los circuitos de polarización y se
    procederá a elevar la temperatura ambiente; midiendo con
    el termómetro de contacto la temperatura del
    cuerpo del transistor para
    verificar cuando se llega a una temperatura de aproximadamente
    90°C. Se tratará de mantener la misma constante
    durante el tiempo
    necesario para medir los valores del
    punto Q, a ésta Tf; luego se volcarán los valores
    en la tabla N°4, y sé graficará el corrimiento
    del punto Q, para cada circuito de polarización en
    función del ΔT.

    • Tabla 4

    CIRCUITO
    N°1

    CIRCUITO
    N°2

    CIRCUITO
    N°3

    °C

    IBQ[μA]

    ICQ[mA]

    VCEQ[V]

    IBQ[μA]

    ICQ[mA]

    VCEQ[V]

    IBQ[μA]

    ICQ[mA]

    VCEQ[V]

    Ti(24.1)

    7.37

    1.33

    5.69

    6.4

    1.23

    9.1

    11.14

    1.98

    3.24

    Tf(78)

    7.45

    1.73

    3.84

    5.58

    1.45

    8.09

    8.95

    2.06

    2.9

    1. Cálculo de la desviación relativa
      de la muestra:

    Para cada uno de los parámetros principales del
    punto Q se calculará la desviación normal o
    estándar de la muestra, con ella podremos determinar la
    dispersión con respecto al promedio en la misma unidad de
    la variable original, pero no reflejara la magnitud del dato de
    la muestra; luego con la dispersión relativa como una
    forma mas rápida de comparar el comportamiento
    de los tres circuitos de polarización, frente a la
    dispersión de HFE.

    De manera que podamos considerar el valor mas
    probable del punto de polarización en cada tipo de
    circuito, considerando que para una distribución normal el 95% de los casos se
    encuentra acotado entre el valor ± 20.

    • Tabla 5 Desviaciones relativas

    CIRCUITO N°

    1

    2

    3

    IBQ

    0,00%

    7,38%

    13,95%

    ICQ

    15,25%

    8,36%

    1,58%

    VCEQ

    28,39%

    6,93%

    4,55%

    1. A lo largo de la experiencia en el laboratorio
      analizamos tres formas de polarizar un transistor, y como
      responde a la variación de las condiciones de trabajo.

      Los factores principales evaluados fueron la
      estabilización del circuito al cambio de
      temperatura (ΔT ~ 55°C) o el eventual reemplazo del
      transistor. Consideremos que un buen circuito es aquel que
      mantiene el punto de trabajo estable frente a los cambios
      mencionados.

      En primer lugar analizamos la configuración
      IBQcte. al aumento de temperatura donde la corriente de base
      apenas sufrió un aumento del 1,1%. (de ahí el
      nombre de IBQcte.). Analizando que el punto de trabajo del
      transistor se determina por la corriente de colector (ICQ) y
      la tensión colector emisor (VCEQ), mantener la
      corriente de base presenta un problema. La temperatura
      produce cambios en las características del transistor,
      sobre todo que su ganancia aumenta (HFE). Lo que deduce que
      la corriente de colector aumentará
      proporcionalmente.

      En la tabla correspondiente se observa que esta
      variación es del 30,1%. Examinando ahora la
      estabilización del circuito a la diferencia de HFE
      tomando 5 muestras del mismo tipo de transistor salta en
      evidencia la desviación en los valores (ΔICQ
      ~0.66mA) de manera similar a la anterior experiencia. Como se
      puede ver, la polarización por IBQcte presenta muchas
      desventajas para estabilizar y mantener el punto Q en los
      valores deseados por el diseñador. De la TABLA 1 surge
      la comparación de los valores medidos con los valores
      teóricos tomando el HFE típico proporcionado
      por el fabricante.

      Podemos decir que estos últimos se acercan a
      los valores de la muestra 2. En la misma tabla se ratifica lo
      antes expuesto acerca de la dispersión de valores que
      existe para diferentes HFE de los transistores. A pesar de
      que existen pequeñas variaciones de HFE, los valores
      del punto Q se distancian claramente.

      Para hacer esta evaluación del circuito (también
      para el resto) mas práctica y con resultados mas
      visibles, se grafico la recta de carga estática, colocando los diferentes
      ptos. Q que dieron las mediciones. En esta se ve la distancia
      entre un punto y otro. Como ayuda numérica
      representativa se calculo la dispersión relativa que
      proporciona una estimación de la magnitud de la
      desviación con respecto a la magnitud de la media.
      Hablando de resultados concisos la ICQ se desvía
      ±15.57% del valor medio y la VCEQ ±28.21%.
      Volvemos a caer en la conclusión que ya venimos
      mencionando.

      Con el mismo propósito y de la misma manera
      estudiamos el circuito de polarización
      Realimentación por Colector. A simple vista es tan
      sencillo como el anterior ya que posee solo dos resistores.
      Comenzando con las mediciones de las distintas muestras se
      observaron leves variaciones del punto Q. En la TABLA 2 se
      observan numéricamente estos valores, y tal cual el
      caso anterior el valor teórico coincide con el valor
      de la muestra 2. Con los datos del
      cálculo de la dispersión relativa damos cuenta
      que la desviación de valores ni siquiera supera el
      10%; para ser mas precisos ±8.88% para ICQ y
      ±6.85% para VCEQ, también IBQ solo varia
      ±7.45%; todos los valores son con respecto al valor
      medio.

      Así mismo el gráfico de la carga
      estática, ayuda a ver que los puntos Q están
      muy cercanos entre si, de manera contraria al caso anterior.
      Con el aumento de la temperatura el circuito se
      comportó de manera similar a la variación de
      HFE; cosa que es razonable porque la temperatura, como
      indicamos anteriormente, aumenta la ganancia del transistor.
      Del valor numérico del aumento de la ganancia podemos
      decir lo siguiente: a temperatura ambiente el transistor de
      la muestra 1 posee un HFE=177; al aumentar la temperatura el
      HFE sube hasta 259. Es decir que el HFE aumento un 47%
      aproximadamente, pero el punto de trabajo se mantuvo dentro
      del 18% para ICQ y 12% VECEQ. En definitiva indica que este
      tipo de polarización mantiene el punto Q muy
      próximo al calculado de manera teórica aunque
      este sometido a varios cambios.

      Como último circuito a prueba está el
      Divisor de Tensión en la Base. Por empezar y a
      diferencia de los dos anteriores, este se realiza mediante
      cuatro resistores. Un divisor resistivo en la base (R1 y R2)
      un resistor en el emisor y otro en el colector.

      Hablando de la prueba en sí, y como primer
      resultado vemos que IBQ varía de manera considerable,
      el doble que el circuito anterior. Pero como contrapartida
      observamos que ICQ apenas cambia su valor, aún si
      comparamos los dos extremos de HFE, ΔICQ
      solo vale ~0.08mA. Si tomamos como referencia el valor medio
      estamos hablando de ±1.51%. De la misma forma vemos
      que VCEQ mantiene su valor muy estable ya que ni siquiera
      pasan el 5% respecto el valor medio. Podemos decir entonces
      que este circuito regula el punto Q haciendo
      variar IBQ.

      De las mediciones vemos que la tensión en R1
      decrece a medida que crece el HFE por lo que IBQ disminuye su
      valor. Del gráfico de la recta de carga
      estática vemos que el punto Q prácticamente no
      cambia su lugar, es mas pareciera que cada punto es encima
      del otro. Por lo que hacer que IBQ cambie no afecta el punto
      de trabajo del transistor.

      Llevando la temperatura a 78°C tomamos las
      caídas de tensión en los distintos resistores
      para deducir las corrientes de trabajo (del mismo modo que se
      hizo con los otros dos circuitos). Como era de esperar el
      circuito se comportó muy eficiente para estabilizar el
      punto Q, si apenas se movió el 4% del valor inicial de
      ICQ.

      Para enriquecer esta comparación de valores
      teóricos, valores medidos, cálculos de
      dispersión etc., resulta muy práctico simular
      los circuitos por software en
      la PC. El simulador tiene la particularidad de poder
      ingresar las características del transistor que
      utilizamos en laboratorio. Esto permite analizar
      fehacientemente la respuesta del transistor. Tal es
      así, que los valores obtenidos en simulación son similares a los medidos
      en el laboratorio.

      Las pequeñas variaciones pueden estar dadas
      por los valores reales de las resistencias o errores sistemáticos de
      medición como así también las
      características propias del transistor que pueden
      diferir a pesar de ser el modelo del
      mismo transistor. En la tabla siguiente se muestran los
      valores obtenidos:

      IBQ CONSTANTE

      IBQ[μA]

      ICQ[mA]

      VCEQ[V]

      HFE

      Teórico

      7,57

      1,51

      4,89

      200

      Práctico

      7,38

      1,5

      4,94

      200

      Spice

      7,54

      2,14

      3,43

      345

      REALIMENTACIÓN POR
      COLECTOR

      IBQ[μA]

      ICQ[mA]

      VCEQ[V]

      HFE

      Teórico

      6,71

      1,34

      8,7

      200

      Práctico

      5,98

      1,33

      8,69

      200

      Spice

      6,03

      1,77

      7,91

      345

      DIVISOR RESISTIVO

      IBQ[μA]

      ICQ[mA]

      VCEQ[V]

      HFE

      Teórico

      9,75

      1,95

      3,23

      200

      Práctico

      10,05

      2,01

      3,19

      200

      Spice

      7,66

      2,17

      3,29

      345

    2. Conclusiones:
    3. Cuestionario:
    1. En un circuito de polarización por IBQ
      constante, la recta de carga está determinada por
      RC.
    2. Para modificar el punto Q variaría el valor de
      RB. Con RC determino la recta de carga, y con RB manejo la IB
      para mover el punto Q sobre la recta.

      Por otro lado si se observa el circuito, si aumenta
      el HFE también lo hace IC, y así crece la
      caída de tensión en RE, haciendo que baje IB.
      Esto significa que IC no aumentara en gran medida.

    3. El menos dependiente del HFE es el divisor de
      tensión en la base. En sus formulas de ICQ,( ) podemos hacer la
      siguiente simplificación. Si RE es mucho mayor que
      RB/HFE, podemos obviar el termino que contiene HFE.
    4. Según la señal de entrada. De ser muy
      baja, el punto Q no perjudicará la simetría de la
      señal teniendo un pequeño cuidado de no estar
      extremadamente cerca de la saturación o el corte. Si la
      señal es grande, habría que tomar un margen de 1V
      antes de llegar a la saturación y un margen similar para
      el corte. De esta manera VCEQ estaría en medio de estos
      valores.
    5. Al aumentar IC la caída de tensión en
      el colector disminuye, lo mismo sucede en RB. Si disminuye la
      caída de tensión en RB, IB también lo
      hace. De esa manera se compensa el incremento de IC al
      disminuir IB para que se mantenga estable IC.
    6. VCEQ aumenta cuando ICQ disminuye sobre la recta de
      carga estática.
    7. Estando saturado el transistor, VCE vale casi 0V. Si
      esta al corte se acerca a VCC
    8. Si RE disminuye, IC crece. Si observamos la recta de
      carga un incremento de IC confiere que VCE disminuye.
      También se puede ver que la caída de
      tensión en RE disminuye, así aumenta la
      caída de tensión en RC para que aumente
      IC.
    9. Si RE disminuye el punto Q sube la recta de carga.
      Como se dijo en el punto anterior ICQ aumenta.
    10. En el eje de las ‘x’ se coloca un punto
      con el valor de VCC; sobre ‘y’ depende de que
      circuito se trate. En el caso de IBQcte. VCC/RC, por ejemplo. O
      también utilizando los valores del punto Q se puede
      determinar la recta de carga. Los parámetros para
      modificarla son VCC, o el valor de los resistores.

     

    Datos del autor:

    Alejandro Ariel Terrado

    Estudiante de Ingeniería Electrónica
    Río Grande – Tierra del
    Fuego – Argentina

    UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL

    FACULTAD REGIONAL RIO GRANDE

    CATEDRA ELECTRONICA APLICADA 1

    GUIA DE TRABAJO PRACTICO Nº 2

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