Informe 1 Electrónica II
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INFORME DE LABORATORIO PRACTICA 1
APLICACIÓN DE FUENTE DE CORRIENTE (POLARIZACIÓN;
CARGA ACTIVA)
Integrantes:
Andrés Nicolás Ballesteros V.
Víctor Felipe López O.
Diego Felipe Mayorga
20101005053
20101005066
20101005017
Objetivos:
Objetivo General:
Comprobar mediante la práctica 3 tipos de polarización de transistores bipolares,observando las características de cada una respecto a su efectividad, aplicación e
implementación.
Objetivos Específicos:
1. Realizar y observar la polarización de un transistor bipolar mediante divisor de
voltaje, fuente de corriente en el emisor y por medio de la utilización de una carga
activa.
2. Concluir sobre cada una de las polarizaciones teniendo en cuenta lo observado en el
laboratorio.
Marco Teórico:
Polarización de un transistor bipolar (NPN):
La polarización de un transistor BJT consiste en la configuración electrónica,
alrededor del dispositivo, que se hace con el fin de localizar a este en alguna de sus
regiones de trabajo, obteniendo corrientes y voltajes fijos, previamente decididos.
Existen distintos tipos de polarización, cada uno con distintas características,
modelos, recursos y análisis, las utilizadas durante esta práctica fueron:
Polarización por divisor de voltaje.
Polarización con fuente de corriente en el emisor (Espejo de corriente básico).
Polarización con fuente de corriente en el emisor y carga activa.
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Polarización por divisor de voltaje:
Esta polarización como la mayoría de
las de BJT NPN coloca en directo la
unión emisor-base y en inverso la
colector-base, por medio de unafuente de voltaje Vcc que en el caso
del colector pasa primero por una
resistencia llamada Rc, que es una de
las principales causantes de la
corriente en este terminal, mientras
que en el caso de la base podemos
observar la configuración que le da
nombre a esta polarización.
El divisor de voltaje en la base brindaa este terminal la tensión presente en
la resistencia inferior R2, con una impedancia que es el paralelo entre las 2
resistencias que intervienen en el divisor.
Dejando así un modelo equivalente mucho mas sencillo y fácil de
analizar.
Polarización con fuente de corriente en el emisor:
Las fuentes de corriente son ampliamente utilizadas como elementos de polarizacióny como cargas activas en etapas amplificadoras. Estas fuentes son insensibles a
variaciones de los voltajes y de la temperatura, además, son más económicas que los
elementos resistivos en términos de área de ocupación, especialmente cuando las
corrientes son bajas.
Para poder polarizar un transistor con una fuente de corriente primero es necesariocrear esta por medio de los denominados espejos de corriente básicos, que están
formados por 2 transistores idénticos y cuya configuración permite obtener 2
corrientes idénticas en el colector de ambos dispositivos debido al siguiente análisis:
Ilustración 1. Polarización por divisor de voltaje.
Ilustración 2. Modelo
equivalente PDV
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Teniendo en cuenta que:
Y que los 2 transistores son idénticos
( )
Entonces:
La corriente en este espejo está determinada por la siguiente formula, deducida del
análisis de la malla que pasa por la resistencia de referencia, el corto entre la base y el
colector de Q1, la unión Base-emisor y se dirige hacia tierra:
Polarización con fuente de corriente en el emisor y carga activa:
Las fuentes de corriente como cargas activas proporcionanresistencias de alto valor resultando etapas amplificadoras con
elevada ganancia operando incluso con bajos niveles de voltaje
de polarización. Así, la ganancia de voltaje que comúnmente es y que para obtener una gran ganancia se debe
utilizar una RC muy grande, lo cual resulta desfavorable a la
hora de economizar espacio e incluso cuando se está realizandola polarización para obtener las corrientes y ubicar el transistor
en la región deseada, mientras que con esta carga se pueden
lograr ganancias elevadas debido a la gran impedancia de salidade un transistor bipolar.
El análisis de una carga activa es muy similar al del espejo decorriente básico, donde la corriente de salida es equivalente a la
de referencia.
Amplificación de un transistor BJT:
Después de polarizar un transistor en DC y colocarlo en la región activa es posible al
aplicarle una señal AC que esta sea amplificada, pero para este análisis de esta señal,a diferencia de los anteriores es necesario un modelo equivalente del dispositivo, en
el cual se pueda observar la operación interna de este, por esto es necesario mirar al
transistor como un cuadripolo o una red de dos puertas, donde la ganancia estarádeterminada por:
Ilustración 3. Espejo
de corriente básico.
Ilustración 4. Carga
Activa.
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Donde el circuito lineal que determina el cuadripolo es el siguiente:
En el cual hix es la suma de
la impedancia de una
resistencia llamada y un
condensador
, cuyo
resultado es el valor de hie(impedancia de entrada de untransistor en EC), también que es la
transconductancia del transistor entre el colector y el emisor determinado por el
cociente entre la corriente de colector y
el voltaje térmico y finalmente quees la suma de la impedancia de salida y la presente en la unión base-colector del
transistor. Cabe resaltar que la fuente de voltaje presente entre los terminales 1 y 3 es
despreciable, debido a su diminuto valor
Diseño y cálculos:
Para el desarrollo del laboratorio se tomaron 4 parámetros principales, además de los ya
establecidos por el Datasheet del amplificador, sobre los cuales se realizó el diseño y
algunas de las mediciones:
Para el caso de mediciones en AC
Circuitos implementados:
1. CA3086 polarizado por divisor de voltaje:
Ilustración 5. Modelo equivalente BJT
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2. CA3086 polarizado con una fuente de corriente en el emisor:
3. CA3086 polarizado utilizando una carga activa:
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Cálculos:
1. Para la polarización del transistor por divisor de corriente, fue necesario hallar el
valor de cada una de las resistencias que conforman el circuito, teniendo en cuenta
los parámetros antes establecidos.
Teniendo en cuenta el valor del voltaje en cada uno de los elementos de la malla desalida y la corriente que pasa por cada uno de estos la resistencia de colector y
emisor se pueden hallar de la siguiente manera:
Debido a que el voltaje de la resistencia de colector es el mismo que el de la de
emisor y la corriente es aproximadamente igual ya que el transistor posee un Beta
mayor de 100 podemos afirmar que:
En la polarización por divisor de voltaje usualmente la resistencia equivalente de
base es tan solo 10 veces el valor de la de emisor ( , además, el voltaje
equivalente de la fuente de polarización de la base es 0,7V ( mayor que el
voltaje en el emisor ( ), valores que utilizaremos para hallar las
resistencias presentes en el divisor.
Entonces:
Ahora durante el análisis en AC se pretende observar la amplificación del transistor,
para esto como se puede observar en el diagrama del circuito se colocan 2
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condensadores, uno en paralelo con la resistencia de emisor y el otro acoplando el
generador a la base, cada uno durante la práctica de 10µF.
Para el cálculo de la ganancia del amplificador se hay que tener en cuenta 1 factor,
la presencia o no de una resistencia de carga (RL), ya que esta modifica
considerablemente este valor.
Para el amplificador sin presencia de RL:
El cual en el modelo a pequeña señal equivale a:
Y para el caso en el cual hay una RL=330Ω:
2. Durante la polarización con una fuente de corriente en el emisor es necesario hallar
los valores de la resistencia en el colector y en el emisor, pero también una
resistencia de referencia presente en el espejo de corriente de la cual depende el
valor de salida de este. Un espejo de corriente básico está formado de la siguiente manera:
Dónde:
Que para nuestro caso sería:
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Una vez obtenida la corriente mediante el espejo básico, se pueden obtener los
valores de la resistencia de colector de una manera similar a la obtenida en el
divisor de corriente.
En la base del transistor al igual que en el ejercicio anterior hay 0,7V mas que en el
emisor debido a la diferencia de potencial presente en la unión entre estos 2
terminales del dispositivo, pero como se puede observar existe una realimentación
de la base con Vcc, así que se remitió al análisis de la malla de entrada:
Formula en la cual el único valor desconocido es el de Rb, ya que al observar el
Datasheet del dispositivo podemos observar un β igual a 150.
Para la ganancia de este amplificador se emplean las mismas ecuaciones que en la
polarización por divisor de voltaje, donde:
Para el amplificador sin presencia de RL:
El cual en el modelo a pequeña señal equivale a:
Y para el caso en el cual hay una RL=330Ω:
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3. En una polarización utilizando fuente de corriente y con carga activa solo está la
resistencia de base, pero también se deben hallar las resistencias referencia en el
espejo básico y la carga activa de PNP.
La resistencia de base se puede hallar de manera similar al circuito anterior,haciendo el análisis de la malla de salida.
Formula en la cual el único valor desconocido es el de Rb.
Con respecto al punto anterior la corriente deseada en el espejo no ha variado, así
que la resistencia de referencia debe ser la misma.
La carga activa es el siguiente circuito:
En el cual:
Y cuya resistencia se halla analizando la siguientemalla:
En la cual el único valor desconocido es el de laresistencia.
La ganancia en este circuito está determinada por las impedancias de salida el
transistor de la carga activa presente en la malla de salida y el transistor a polarizar,regidos por la siguiente formula:
( )
Valores para los cuales se hizo uso de los Datasheets de los 2 tipos de transistor
(Ver Anexos 1. Y 2.).
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Entonces cuando no hay RL:
Y cuando hay RL=330:
Desarrollo de la práctica:
Desarrollo de los puntos prácticos:
(330Ω)
Med Calc Med Calc Med Calc Med Calc Med Calc Med Calc
1. 3,9 4 4,32 4 3,92 4 1,98 2 -58,2 -153,8 -14,2 -21,7
2. 3,5 4 4,1 4 4,46 4 1,93 2 -59,4 -153,8 -15,6 -21,7
3. - 4 - 4 - 4 - 2 - -136,5 - -24,9
Registro fotográfico:
Salida de voltaje sin RL
( )
Salida de voltaje con RL
( )
1.
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2.
3. - -Nota: Para la polarización 3 utilizando una carga activa no se realizaron mediciones,
debido a que en el laboratorio los transistores presentes en la malla salida y
correspondientes a el espejo de corriente y a la carga activa entraban en estado de
corte (Ver Causas de error ).
4. Lograr esta diferencia de potencial no es sencillo debido a que las corrientesdeterminadas por los distintos tipos de polarización no son como la teoría lo dicta,
el β y la resistividad de otros materiales usados en el montaje las afecta, variando
estos valores con respecto a los esperados, además entran en juego distintosfactores, como las características de cada elemento no tomadas en cuenta durante
los cálculos y los errores de fábrica (la llamada tolerancia) en los parámetros si
utilizados, con respecto a las configuraciones que utilizan espejos de corriente
también entra en juego la ubicación del transistor en la región de trabajo, debido aque algunas veces al incorporar ambos circuitos el transistor presente en el espejo
entra en corte, debido a la impedancia y corriente ofrecida por el resto del circuito apolarizar.
5. Las predicciones con respecto a la teoría en las polarizaciones 1 y 2 como se puede
observar en la tabla de arriba fueron muy aproximadas en lo que respecta a voltajes
y corrientes medidas, mientras que en las amplificaciones, la ganancia no dio lo quese esperaba, dio menos de la mitad sin la resistencia de carga y un poco más de la
mitad de lo que debería dar con la resistencia de 330Ω en la carga, esto debido a que
al realizar los cálculos se tomó el transistor muy parecido al ideal, lo cual hace queal realizar las mediciones no den parecidas.
Análisis de datos:
Al realizar la práctica se pudieron observar varios fenómenos que se pueden relacionar con
los esperados mediante cálculos y que confirmarían lo investigado teóricamente, talescomo:
Mayor estabilidad e insensibilidad en la polarización con espejo de corriente con
respecto a los cambios de voltajes y corrientes, permitiendo así una mejor
polarización y ganancia con respecto a la polarización por divisor de voltaje.
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Sensibilidad en los puntos de operación de un transistor con respecto al tipo de
polarización que se halla implementado sobre este.
Dificultad logrado una diferencia de potencial igual en todos los dispositivos
presentes en la malla de salida.
Variaciones en ganancias, voltajes y corrientes de un circuito dependiendo de los
parámetros de un transistor (impedancia de entrada, impedancia de salida, hfe, hoe,entre otros).
Error:
Punto MediciónValor
CalculadoValor
Medido% de Error
1. 4V 3,9V 2,5% 4V 4,32V 8% 4V 3,92V 2%
2mA 1,98mA 1%
-153,8 -58,2 62,1%
-21,7 -14,2 34.56%
2. 4V 3,5V 12,5% 4V 4,1V 2,5% 4V 4,46V 11,5% 2mA 1,93mA 1,75% -153,8 -59,4 60,78% -21,7 -15,6 28,11%
3. No se realizaron mediciones 100%
Causas de Error: 1. Durante la polarización por divisor de tensión se presentó un promedio de 3,3% de
error en las mediciones de voltajes y corrientes con respecto a lo esperado, esto se
debe principalmente a las variaciones de corriente producidas por el hfe del
transistor entre el colector y el emisor, lo que hace que en el 2do terminal la tensión
sea mayor que en el 1ro, además, al realizar los cálculos tomamos en cuenta
parámetros casi ideales del transistor, lo cual en la realidad no existe, por tanto debe
existir un error como el que observamos, el error promedio de 48,3% en la ganancia
puede ser debido a factores tales como que no se tomó en cuenta el ancho de banda
del amplificador a la hora de realizar las mediciones, además de las variaciones
propias del transistor con las diversas corrientes y voltajes que pueden caer sobre él.
2. En la polarización con una fuente de corriente en el emisor el error promedio en las
mediciones de voltajes y corrientes fue de 7,06%, causado como en el ejercicio
anterior por las variaciones en las corrientes y en consecuencia con los voltajes que
produce el β del transistor y otros factores propios de este no tomados en cuenta
durante los cálculos, mientras que el 44,4% de error en la ganancia puede ser obra
también de los factores no tomados en cuenta del transistor a la hora de hacer los
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cálculos, además de la incorporación de un transistor del espejo de corriente en vez
de una resistencia de emisor, lo cual aporta una impedancia mucho mayor a la
acostumbrada por una Re.
3. En esta polarización hubo un error aproximado al 100% en todas las mediciones,
esto debido a que los parámetros como la impedancia de salida de un transistor NPN
(CA3086) y un PNP (2N3906) son muy distintos, siendo el del primero mayor que
en el segundo, colocando uno de estos transistores en estado de saturación y el otro
en corte, no generando corriente entre estos y voltaje en uno solo, además, los
transistores NPN utilizados eran de parámetros similares, mas no idénticos, lo cual
hacía que debido a estas variaciones propias de la fabricación en estos dispositivos,
la carga activa presentara fallas durante su funcionamiento.
Conclusiones:
Existen diferencias fundamentales entre las características de los distintos tipos de
polarización, principalmente orientados hacia la ganancia y la insensibilidad de
estos al cambio y distribución de tensiones y corrientes.
Una polarización por divisor de voltaje brinda al circuito los voltajes y tensiones
necesarias para su operación, pero es muy sensible a los cambios que se puedan
realizar en el circuito, provocando así una ganancia no muy buena y con un alto
porcentaje de error.
A pesar de poseer un porcentaje de error elevado la polarización utilizando una
fuente de corriente le brinda al circuito cierta estabilidad, ya que no se ve
perturbada considerablemente al cambiar algunas de las variables de este, pero
se debe realizar teniendo en cuenta los parámetros básicos de los transistores enel espejo y a polarizar.
Las características de una polarización utilizando carga activa son de muy buena
calidad, más en su aplicación práctica hay que tener en cuenta muchos de los
parámetros que poseen los transistores, logrando un buen equilibrio entre estos
que permita la correcta implementación de este.