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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 N° 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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