curva caracteristica de los transistores
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Laboratorio de Electrónica
Facultad de Ingeniería mecánica
Universidad del Atlántico
CURVA CARACTERISTICA DE LOS TRANSISTORES
Ochoa Sebastián1; Sandoval R. María1; Silva G. Javier1;Rodríguez O. José1; Galet V. Richard1; Álvarez Juan Carlos2
1: Estudiantes de la facultad de Ingenieria Mecanica
2: Profesor de Electrónica
Fecha de entrega: 06/05/15
RESUMEN
Con la realización de esta experiencia se buscó analizar e identificar el comportamiento deltransistor, representándolo en una serie de curvas por medio de diferentes mediciones de voltaje yotros parámetros presentes en un circuito que se explicará detalladamente a lo largo del presenteinforme.
Palabras claves: Transistores, bipolar, ganancia del transistor, transistor de base positiva..
1. INTRODUCCIÓN
El transistor está compuesto por tres zonas dedopado, como se ve en la figura:
Figura 1. Partes de un transistor
La zona superior es el "Colector", la zonacentral es la "Base" y la zona inferior es el"Emisor". El Emisor está muy impurificado, laBase tiene una impurificación muy baja,
mientras que el Colector posee unaimpurificación intermedia.
Un transistor es similar a dos diodos, eltransistor tiene dos uniones: una entre elemisor y la base y la otra entre la base y elcolector. El emisor y la base forman uno de losdiodos, mientras que el colector y la baseforman el otro. Estos diodos sondenominados: "Diodo de emisor" (el de laizquierda en este caso) y "Diodo de colector"(el de la derecha en este caso).
2. MARCO TEORICO
El transistor bipolar es un dispositivo de tresterminales -emisor, colector y base-, que,atendiendo a su fabricación, puede ser de dostipos: NPN y PNP. En la figura 2 seencuentran los símbolos de circuito ynomenclatura de sus terminales. La forma dedistinguir un transistor de tipo NPN de un PNP
es observando la flecha del ter-minal deemisor. En un NPN esta flecha apunta haciafuera del transistor; en un PNP la flechaapunta hacia dentro. Además, enfuncionamiento normal, dicha flecha indica elsentido de la corriente que circula por elemisor del transistor.
Figura 2. Simbología y nomenclatura de un
transistor.
Gracias a este dispositivo es posible controlaruna gran potencia a partir de una pequeña. Enla figura 3 se puede ver un ejemplo cualitativodel funcionamiento del mismo. Entre losterminales de colector (C) y emisor (E) seaplica la potencia a regular, y en el terminal debase (B) se aplica la señal de control gracias ala que controlamos la potencia. Con pequeñasvariaciones de corriente a través del terminalde base, se consiguen grandes variaciones através de los terminales de colector y emisor.Si se coloca una resistencia se puedeconvertir esta variación de corriente envariaciones de tensión según sea necesario.
Figura 3. Principio de funcionamiento.
En resumidas cuentas, un transistor se puedeconsiderar como un diodo en directa (uniónemisor-base) por el que circula una corriente
elevada, y un diodo en inversa (unión base-colector), por el que, en principio, no debe-ríacircular corriente, pero que actúa como unaestructura que recoge gran parte de lacorriente que circula por emisor-base.
El montaje básico que se realiza para estudiarel comportamiento de un transistor NPN es elque se ilustra en la figura 4.
Figura 4. Circuito básico.
Del circuito anterior se pueden obtener lassiguientes ecuaciones, que posteriormenteayudarán a hacer una comparaciónsignificativa con el montaje experimental y losresultados que este arroje. Asumiendo que eltransistor es un nodo, se aplica la ley de lascorrientes de Kirchhoff LCK, arrojando comoresultado:
��=��+�� (1)
De igual forma, aplicando la ley de lastensiones de Kirchhoff (LTK) sobre eltransistor, se obtiene:
���+���+���=0 (2)
Ahora, si se estudia la tensión que hay encada nodo del transistor (ver figura 4), losvalores de la ecuación 2 se pueden obtener dela siguiente manera:
Figura 5. Tensiones en el transistor.
Para el montaje de emisor común (EC) latensión VE es cero, por ende, las ecuacionesquedan reescritas de la siguiente manera:
{���=�����=��−�����=��} (3)
Cuando se está trabajando bajo la conexiónde emisor común, se debe introducir un factorβ denominado ganancia de corriente de
emisor común. Este factor es una pro-piedadde cada transistor y por lo general opta en unvalor en el rango de 50 a 1000.
En base al factor de ganancia de emisorcomún, es posible obtener una ecuación querelacione las corrientes que pasan por eltransistor. Esta ecuación es la que se muestraa continuación:
IC=β IB (4)
Con base a la ecuación anterior, es posibleentender por qué con una pequeña corrientede base se produce una corriente muchomayor de colector.
Al igual que en el análisis de diodos, en lostransistores se plantean dos aproximacionesdel potencial emisor-base. La primeraaproximación considera a un transistor ideal,por ende dice que la diferencia de potencial dela base-emisor es cero (VBE = 0). Esta
aproximación es usada con el fin de agilizarcálculos, pero no es recomendable cuando setienen fuentes de base muy pequeñas; de ahía que se considere la segunda aproximación,la cual recomienda que VBE = 0,7 paratransistores de silicio y VBE = 0,3 paratransistores de germanio.
2.1. Curvas características deltransistor
Existen varias curvas características deltransistor que nos ayudan a graficar susparámetros, entre esas curvas tenemos:
2.1.1. Curva característica VBE-IB
Mediante esta curva podemos determinar losefectos que producen las variaciones de latensión de polarización VBE sobre la corrientede base IB. Estas gráficas reciben el nombrede curvas características de transferencia. Lascurvas que se obtienen son muy similares a lade un diodo cuando se polariza directamente.
Estas tensiones permanecen prácticamenteconstantes, por lo que serán de gran ayudapara localizar averías en circuitos contransistores.
La función que liga VBE con IB es lacaracterística de un diodo, y puede aplicarsedado que la unión base - emisor, es una pnnormal, igual que la de diodo, y al polarizarla,seguirá el mismo comportamiento que aquel.
Figura 6. Curva característica VBE-IB
La curva representada en la figura sigue laexpresión:
2.1.2. Curva característica VCE-IC
Esta curva característica también es conocidacomo familia de colector, ya que son lascorrespondientes a la tensión e intensidad delcolector. En la siguiente figura, se muestranuna familia de curvas de colector paradiferentes valores constantes de la corrientebase.
Figura 7. Curva característica VCE-IC
Idealmente, en la Región Activa, la corrientede colector depende exclusivamente de la debase, a través de la relación IC=β+IB. Por lotanto, en el plano VCE-IC la representaciónestará formada por rectas horizontales(independientes de VCE) para los diversosvalores de IB (en este caso se ha representado
Para IB=0, la corriente de colector tambiéndebe ser nula. La región de corte estárepresentada por el eje de abscisas. Porcontra, para VCE=0 el transistor entra ensaturación, luego esta región quedarepresentada por el eje de ordenadas.
Hasta aquí se presenta la característica ideal,pero como era de esperar, la realidad es unpoco más compleja, y las curvas quedaráncomo representa la siguiente figura:
Figura 8. Curva real VCE-IC
En la Región Activa la corriente del colector noes totalmente independiente de la tensióncolector-emisor. Para valores altos de lacorriente cobra importancia la resistenciainterna del transistor.
La región de saturación no aparecebruscamente para VCE=0, sino que hay unatransición gradual. Típicamente se sueleconsiderar una tensión de saturacióncomprendida entre 0.1V y 0.3V.
Estas curvas representan, en cierto modo, laforma de funcionamiento del transistor. Sepuede comprobar que, para una tensiónconstante de colector-emisor, si se producenpequeñas variaciones de la corriente de base(del orden de µA) esto origina unasvariaciones en la corriente de colector muchomás elevadas (del orden de mA), de lo cual sededuce la capacidad del transistor paraamplificar corrientes.
Observa que, en la mayor parte de las curvas,la tensión VCE afecta muy poco a la corrientede colector IC. Si se aumenta VCE demasiado(por encima de VCEO), la unión del colectorentra en la región de ruptura y éste puedellegar a destruirse. Sin embargo, si la tensiónVCE es muy pequeña (por debajo de los 0.7V),la corriente de colector será muy débil,obteniéndose una ganancia de corriente muybaja. En conclusión, para conseguir que eltransistor trabaje como amplificador decorriente, la tensión de polarización inversa
VCE debe mantenerse por encima de 0.7V ypor debajo de la tensión de ruptura.
2.1.3. Recta de carga del transistor
Hemos de conocer el comportamiento deltransistor trabajando con una determinadaresistencia de carga y averiguar el punto defuncionamiento del mismo. Para ello, trazamosla recta de carga del transistor en las curvasde colector para poder determinar los puntosde funcionamiento.
Para determinar la corriente que circula por elcolector (emisor común), podemos aplicar laley de Ohm entre los extremos de laresistencia de carga RL. La tensión aplicada aesta resistencia se corresponderá con latensión total aplicada por la fuente VCC menosla caída de tensión que se produce entre elcolector y el emisor VCE. De esta formaobtendremos la siguiente expresión, que secorresponderá con la ecuación de la recta decarga:
Para dibujar esta recta sobre la curvacaracterística, lo primero que hay que haceres encontrar sus extremos (IC=0 y VCE=0).
Para VCE=0
Para IC=0
Llevando estos valores a la curvacaracterística de colector, obtendremos larecta de carga para una determinadaresistencia de carga RL y una fuente VCC.
A lo larga de esta recta se pueden distinguirtres partes fundamentales: puntos de corte,punto de saturación, punto de trabajo.
Figura 9. Recta de carga de un transistor
El punto de corte es donde la línea de cargacorta a la curva correspondiente a la corrientede base igual a cero (IB=0). Dada la escasapolarización directa a que queda sometido eldiodo de emisor-base, la corriente queaparece por el colector es prácticamente nula(sólo circula una pequeñísima corriente defuga ICEO). Haciendo una aproximación, sepuede decir, sin equivocarse mucho, que elpunto de corte se da en la intersección de larecta de carga con el eje horizontal, es decircuando VCecorte=VCC.
Figura 10. Zona de trabajo de un transistor.
El punto de saturación aparece donde lalínea de carga corta a la intensidad de base desaturación. En este punto, la corriente decolector es la máxima que se puede dar parala operación de transistor, dentro de los límitesde la recta de carga. Haciendo una
aproximación, se puede decir que el punto desaturación aparece en la intersección de larecta de carga con el eje vertical, es decir,cuando:
Para corrientes de base superiores a la desaturación se produce también el efecto desaturación en el transistor.
El punto de trabajo es aquél donde eltransistor trabaja de una forma normal y que,normalmente, se encuentra entre la zona decorte de saturación. Para determinar el puntode trabajo (Q) de transistor para unadeterminada corriente de base (IB), se busca elpunto de intersección de la recta de carga conla curva correspondiente a dicha corriente debase.
2.1.4. Obtención de la Ganancia apartir de las curvascaracterísticas
Figura 11. Ganancia de un transistor
La ganancia en corriente de un transistor sedefinía como la relación que se da entre la
variación de la corriente del colector y lavariación de corriente de base. Paradeterminar dicha ganancia se puede recurrir alas características del colector.
Como ejemplo, supongamos que las curvascaracterísticas del transistor ensayado es laque se muestra en la figura de la izquierda.
Para un punto de funcionamiento situado enVCE=20V, la intensidad de colector variaráentre IC=28mA e IC=43mA, mientras que laintensidad de base lo hará entre IB=0.10mA eIB=0.15mA. La ganancia se calcula así:
Hemos de tener en cuenta que punto defuncionamiento se encuentra trabajando eltransistor, es decir, la tensión que se le estáaplicando al mismo, y con ello, la gananciacalculada, será para esa tensión de trabajo,siendo para otra, otra ganancia diferente de lacalculada en otro punto.
3. METODOLOGÍA
Los elementos electrónicos que se usaron enesta experiencia fueron los siguientes:
- 2 resistencias de 1KΩ.- 1 transistor 2N3904.- 1 Fuente.- 1 Multímetro.
El montaje que se realizó es el que se ilustra acontinuación:
Figura 12. Montaje del circuito usado.
Paso seguido, se ajustó la fuente del colector.Luego, se hizo variar la fuente de base de 0Vhasta 0,9V y se tomaron los voltajes. Loanterior se repitió para diferentes voltajes defuente de colector, donde también se variaronlos rangos de voltaje de la fuente de base. Losdatos obtenidos en las mediciones semuestran tabulados en la tabla 1.
4. RESULTADOS Y ANALISIS
Los valores obtenidos para los valores devoltaje en cada punto del circuito se presentanen la tabla a continuación.
V CC V B V BE V RB V RC V CE
5
0,5 0,5 0 0,0037 50,55 0,55 0,0003 0,022 4,99
0,6010,601 0,0012 0,178 4,83
0,61 0,61 0,0017 0,251 4,760,62 0,62 0,0023 0,365 4,65
0,6260,626 0,003 0,459 4,55
0,63 0,63 0,0032 0,535 4,470,64 0,64 0,0045 0,804 4,210,65 0,65 0,0063 1,17 3,830,66 0,66 0,0093 1,753 3,2670,67 0,67 0,0123 2,357 2,6680,68 0,68 0,0182 3,466 1,560,69 0,69 0,0252 4,65 0,3610,7 0,7 0,232 4,9 0,1040,71 0,71 0,814 4,94 0,07170,72 0,72 1,659 4,95 0,05780,73 0,73 4,04 4,96 0,04650,5 0,5 0 0,0045 100,55 0,55 0 0,0291 9,980,598 0,59
80,0012 0,196 9,9
10
0,61 0,61 0,0016 0,265 9,660,62 0,62 0,0024 0,399 9,60,63 0,63 0,0031 0,562 9,430,64 0,64 0,0048 0,901 9,10,65 0,65 0,007 1,354 8,680,66 0,66 0,0092 1,881 8,120,68 0,67 0,0148 1,955 7,010,7 0,68 0,025 4,82 5,110,71 0,69 0,0382 7,36 2,7
0,7150,715 0,055 9,59 0,442
0,73 0,73 1,03 9,79 0,052
0,750,745 2,94 9,86 0,068
0,765 0,76 5,41 9,92 0,060,5 0,5 0 0,0045 10
14,93
0,5 0,5 0 0,0046 14,930,55 0,55 0 0,028 14,910,6 0,6 0,0013 0,202 14,710,61 0,61 0,0015 0,276 14,650,62 0,62 0,0026 0,399 14,590,63 0,63 0,0034 0,621 14,290,64 0,64 0,0052 0,947 13,970,65 0,65 0,0082 1,625 13,27
0,6550,655 0,015 3,478 11,4
0,67 0,67 0,0235 4,89 9,970,68 0,68 0,0335 6,83 80,69 0,69 0,0488 9,55 5,330,7 0,7 0,0625 11,95 2,95
0,7290,725 0,1 14,59 0,359
0,7480,745 1,26 14,77 0,106
0,7570,755 2,633 14,78 0,087
0,7670,765 4,7 14,79 0,0765
0,803 0,8 14,04 14,79 0,066
Tabla 1. Resultados obtenidos de la práctica.
Como primer resultado experimental, sedeterminará cuál es la ganancia promedio deun transistor, luego este valor será comparadocon el valor que se midió con ayuda del
multímetro el cual fue β=202 .
Para determinar la ganancia, nos basamos enla ecuación 4 mostrada en el marco teórico,primero se calculan las corrientes que circulanpor las resistencias base y colector, luego sehace la división correspondiente y se obtieneel valor promedio de ganancia.
IC=β IB
V=IR , luego I=V
R ; Entonces:
IC=V RC
Rc Y IB=V RB
Rb , finalmente
tenemos
β=IC
IB, donde la ganancia total será
∑i=1
n β i
n
La ganancia promedio del capacitor esentonces:
V CC V BE IC I B β
14,93
0,6 0,000202 0,0000013 155,384615
0,61 0,000276 0,0000015 184
0,62 0,000399 0,0000026 153,461538
0,63 0,000621 0,0000034 182,647059
0,64 0,000947 0,0000052 182,1153850,65 0,001625 0,0000082 198,1707320,655 0,003478 0,000015 231,8666670,67 0,00489 0,0000235 208,0851060,68 0,00683 0,0000335 203,8805970,69 0,00955 0,0000488 195,6967210,7 0,01195 0,0000625 191,20,725 0,01459 0,0001 145,9
∑i=1
n β i
n 186,03
Tabla 2. Valor de ganancia experimental del
transistor.
βTeórico βExperimental de error
202 186,03 7,904
Tabla 3. Comparación entre los valores de
ganancia teóricos y experimentales.
Se puede observar que el valor de la gananciaobtenido por los datos experimentales nos damuy cercano al valor de ganancia propio deltransistor, con un valor menor al 8%.
Hallando la curva característica del transistorVBE-IB, tenemos:
0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
f(x) = 0 exp( 53.03 x )
Gráfica 1. Curva característica experimentaldel transistor VBE-IB para 5V.
0.56 0.61 0.66 0.71 0.76 0.81
0
0
0
0
0
0.01
0.01
f(x) = 0 exp( 52.1 x )
Gráfica 2. Curva característica experimentaldel transistor VBE-IB para 10V.
0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85
0
0
0
0.01
0.01
0.01
0.01
0.01
0.02
f(x) = 0 exp( 48.5 x )
Gráfica 3. Curva característica experimentaldel transistor VBE-IB para 14,93V.
Mediante esta curva podemos determinar losefectos que producen las variaciones de latensión de polarización VBE sobre la corrientede base IB. Conocidas como curvascaracterísticas de transferencia. Las curvasque se obtienen son muy similares a la de undiodo cuando se polariza directamente.
Debido a que el multímetro que se utilizó parala experiencia estaba bajo de batería, estetomó una referencia diferente, por lo cual losvalores tomados se encontraban desfasadosde los reales, sin embargo al calcular eldesfase probando con otro multimetro, semodificaron los datos, estos sirven parailustrarnos la forma de esta gráfica. En lasfiguras 1-3 se aprecia el cambio transicional(casi asintótico) del transistor; en este caso envalores después de 0,7V debido a lo que semencionó anteriormente.
Esta experiencia se simulo para obtener lascurvas características teóricas del transistor,se simuló en el programa Multisim, puestoque en este se puede variar la ganancia, loque nos permite obtener resultados máscercanos y exactos al de la experiencia delaboratorio.
Los resultados obtenidos de la simulación, sepresentan a continuación.
Figura 13. Circuito simulado en Multisim para
5V.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
0
0
0
0
0
0
0
0
0
f(x) = 0 exp( 14.95 x )
Gráfica 4. Curva característica teórica deltransistor VBE-IB para 5V.
Figura 14. Circuito simulado en Multisim para
10V.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
0
0
0
0
0
0
0
0
0
0
f(x) = 0 exp( 21.99 x )
Gráfica 5. Curva característica teórica deltransistor VBE-IB para 10V.
Figura 15. Circuito simulado en Multisim para
14,93V.
0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8
0
0
0
0
0
0
0
0
f(x) = 0 exp( 21.21 x )
Gráfica 6. Curva característica teórica deltransistor VBE-IB para 14,93V.
En las gráficas teóricas, obviamente, seaprecia de una manera más clara, la forma deesta curva característica, asintótica al llegar a0,7V como en una gráfica para un diodo.
Comparando las gráficas teóricas yexperimentales, obtenemos:
0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Gráfica 7. Curva característica teórica deltransistor VBE-IB para 5V. Curva azul-Experimental, Curva roja-Teórica.