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EL RECTIFICADOR CONTROLADO DE SILICIO
PRACTICA Nº 1
I.- OBJETIVOS
Verificar el funcionamiento del SCR
Experimentar un circuito equivalente al SCR
II.- FUNDAMENTO TEORICO
Es un interruptor de estado sólido unidireccional que puede funcionar tanto con corriente continua como con corriente alterna. Como su nombre lo indica, el SCR es un rectificador de silicio, el cual tiene un tercer terminal llamado “GATE” (puerta o compuerta) para propósito de control.
Si no se le aplica corriente a la compuerta, el SCR se comporta como un interruptor abierto en cualquier dirección.
Para que el SCR conduzca, entre ánodo y cátodo, se precisa de un cierto nivel de corriente mínimo (pulso positivo), aplicado entre la compuerta y cátodo. Dicho nivel depende de la sensibilidad de la compuerta del SCR.
El SCR seguirá conduciendo, incluso con la corriente de compuerta suprimida, hasta que la corriente de ánodo se reduzca a un valor inferior al crítico o se invierta la polarización entre ánodo y cátodo del SCR. En este punto, el SCR se habre o bloquea nuevamente.
Cuando el SCR esta activado, el voltaje entre ánodo y cátodo es de aproximadamente 1 voltio.
VALORES COMERCIALES DEL SCR
Voltaje(V)
Corriente(A)
25,30,50,60,100,150,200,250,300,400,500,600,800
0.8,4,5,6,8,10,16,20,25,35
Forma de comprar un SCR
Se solicita indicando el código o el voltaje y la corriente del dispositivo.
Prueba del SCR
Se prueba del siguiente modo:
Entre ánodo y cátodo deberá marcar una resistencia superior a los 100K en ambos sentidos.
Entre compuerta y cátodo debe marcar como un diodo convencional. Alta resistencia en un sentido y baja resistencia en el otro.
Entre compuerta y ánodo deberá marcar una resistencia mayor de 1 MΩ en ambos sentidos.
III.- EQUIPO Y MATERIALES
V: Voltímetro
A: Amperímetro
Fuente de poder ajustable de 0 a 10 V
Lámpara de Incandescencia (Foco)
Transistores : 2N3904 y 2N3906
SCR : 2N3228
1 Diodo LED
Resistores de ½ W 470Ω, 1KΩ, 10KΩ
Resistencia de 3W de 22 Ω
Potenciómetro de 1KΩ
Interruptor
IV.- PROCEDIMIENTO
Circuito Experimental :
El circuito de la Fig. 2 simula un SCR. Arme el circuito de la Fig. 2 y con el interruptor abierto encienda la fuente de alimentación de 10V.
Observe el estado del LED, el cual debe estar apagado de lo contrario reduzca la tensión de la fuente a 0V y luego vuelva a los 10V. Con el LED apagado mida los voltajes de los puntos A y B del circuito y regístrelos en la Tabla Nº1 . Pulse el interruptor y observe lo que pasa con el LED. Mida nuevamente los voltajes en los puntos A y B (Tabla Nº1). Abra el circuito y el LED debe quedar encendido, reduzca la tensión de la fuente para apagarlo.
Conecte un amperímetro en el lugar que corresponda y mida la corriente en el LED.
TABLA Nº 1
Arme el circuito de la Fig. Nº 3. Colocando el potenciómetro de 1K a su nivel mínimo, encienda la fuente y varíe el potenciómetro suavemente hasta que el foquito encienda. Repita el procedimiento colocando el amperímetro para medir IG, anote en la Tabla Nº2, el valor de la corriente para la cual el SCR se dispara. Realice las demás medidas que se indican en la tabla.
TABLA Nº2
V.- CUESTIONARIO
1.- Describa el funcionamiento del conjunto de transistores y diga por que simula un SCR.
El conjunto de transistores simula un SCR porque se pueden obtener los mismos resultados. Así por ejemplo, un pulso positivo en el terminal G polarizará directamente el terminal Base-Emisor del transistor Q1, poniéndolo a conducir. La corriente de colector resultante pondrá a conducir el transistor Q2, produciendo un efecto regenerativo y el estado de conducción en el dispositivo.
2.- Cuando el LED esta encendido el voltaje en el punto A referido a tierra es cercano a......¿Por qué?
Es cercano a 0.7V, debido a que se tiene lo siguiente :
V = Voltaje de Base-Emisor de Q2 + Voltaje de Colector-Emisor de Q1.
V = 0.7V + aproximadamente 0 V
V = 0.7V
3.- Cuando el foco esta encendido cual es el voltaje VAK. ¿Por qué?
Cuando el foco esta encendido el voltaje es 1.15 V porque este dispositivo no es un interruptor ideal, generando un pequeño voltaje entre sus terminales, tal como el conjunto de transistores.
4.- Después de que el foco ha encendido, explique que formas pueden haber para apagarlo
Se puede apagar de dos maneras:
Quitándole la tensión de la fuente de alimentación
Colocándole un pulso negativo en la compuerta.
5.- Para que se usa un SCR (proponga el esquema de un circuito de aplicación).
El SCR se utiliza como un interruptor unidireccional semiconductor, el cual se controla por un pulso de voltaje en la compuerta. Tiene múltiples aplicaciones y una de ellas se muestra en el siguiente esquema. Es un sistema de iluminación de emergencia de una sola fuente que mantendrá la carga en una batería de 6 V, para asegurar su disponibilidad y brindar también energía CD a una lámpara eléctrica si hay una interrupción eléctrica. Una señal rectificada de onda completa aparecerá a través de la lámpara de 6 V debido a los diodos D2 y D1. El capacitor C1 se cargará hasta un voltaje ligeramente menor que la diferencia entre el valor pico de la señal rectificada de onda completa y el voltaje CD en R2 establecido por la batería de 6 V. En todo caso, el cátodo del SCR1 es mayor que el ánodo y el voltaje de la compuerta al cátodo es negativo, asegurando que el SCR no conduzca. La batería se esta cargando a través de R1 y D1 a una razón determinada por R1. La carga de la batería solo ocurre cuando el ánodo de D1 es más positivo que su cátodo. El nivel CD de la señal rectificada de onda completa asegurará que la lámpara este encendida cuando haya potencia. Si la alimentación eléctrica falla, el capacitor C1 se descargará a través de D1, R1 y R3 hasta que el cátodo del SCR1 sea menos positivo que el ánodo, Al mismo tiempo, la unión de R2 y R3 se volverá positiva y establecerá suficiente voltaje de compuerta a cátodo para dispara el SCR. Una vez disparado, la batería de 6 Voltios se descargaría a través del SCR1 y energizaría la lámpara y mantendría su iluminación. Después de que se restablece la energía, el capacitor C1 se recargará y restablecerá el estado no conductor de SCR1, como se describió antes.
6.- Haga un cálculo de los valores de voltaje y corrientes en ambos circuitos y compárelos con los voltajes medidos, sustente sus concordancias y discrepancias en los valores.
CIRCUITO DE LA FIGURA Nº 2
A) LED APAGADO :
Cuando el interruptor esta abierto no existe ningún voltaje en el punto B por lo tanto:
VB = 0
(1K)IB1- VB = 0 , entonces IB1 = 0
Como no existe corriente de base tampoco habrá corriente de colector en el transistor Q1. Al no existir corriente de colector en Q1, no se tendrá corriente de base en Q2 y al no haber corriente de base en Q2 no se tendrá corriente de emisor en Q2. Por lo tanto la corriente en el LED será cero (ILED=0). Tenemos:
10V – 470(ILED)- VLED – VA = 0
10V - 0 – 0 – VA = 0
entonces, VA = 10V
B) LED ENCENDIDO
Cuando el LED esta encendido el voltaje VB se determina mediante el divisor de voltaje siguiente :
VB = (10V x 1K)/(10K + 1K)
VB = 0.9 Voltios
Luego, el Transistor Q1 esta conduciendo y el voltaje VA = 0.7V por las razones que se explican en la respuesta de la pregunta 2, por lo tanto tenemos la siguiente malla:
10V – (470)ILED – VLED – VA = 0
ILED = (10V – VLED – VA)/470
ILED = (10V – 2V – 0.7V)/470
ILED = (7.3V)/470
ILED = 15.53 mA
CIRCUITO DE LA FIGURA Nº 3
A) FOCO APAGADO :
En la malla de compuerta tenemos : que al reducir el voltaje en el punto medio del potenciómetro a 0V no tendremos corriente de compuerta (IG = 0), por lo tanto el SCR esta como un interruptor abierto entre ánodo y cátodo (IAK = 0), se presenta la siguiente malla:
10V – (Rfoco)IAK – (22)IAK – VAK = 0
10V – 0 – 0 – VAK = 0
VAK = 10 V
A) FOCO ENCENDIDO :
Cuando el punto medio del potenciómetro esta a 10 V, se tiene la siguiente malla:
10 V – (470)IG – VGK = 0
IG = (10V – VGK) / 470
IG = (10V – 0.7V) / 470
IG = 19.78 mA
Luego, la corriente de compuerta es suficiente para poner a conducción al SCR, por lo tanto se tiene la siguiente malla:
10V – (Rfoco)IAK – (22)IAK – VAK = 0
10V – (20)IAK – (22)IAK – 1V = 0
10V – (42)IAK – 1V = 0
IAK = (10V – 1V)/42
IAK = 0.22 Amperios
Considerando un foco con una resistencia de 20 Ω
POLARIZACION DEL FET
PRACTICA Nº 2
I.- OBJETIVOS
Verificar el funcionamiento de un JFET
Experimentar circuitos de polarización del JFET
II.- FUNDAMENTO TEORICO
En los transistores bipolares, una pequeña corriente de entrada (corriente de base) controla la corriente de salida (corriente de colector); en los casos de los FET, es un pequeño voltaje de entrada que controla la corriente de salida.
La corriente que circula en la entrada es generalmente despreciable (menos de un pico amperio). Esto es una gran ventaja, cuando la señal proviene de un dispositivo tal como un micrófono de condensador o un transductor piezo eléctrico, los cuales proporcionan corrientes insignificantes.
Los FET’s, básicamente son de dos tipos:
- El transistor de efecto de campo de Juntura o JFET.
- El transistor de efecto de campo con compuerta aislada o IGFET, también conocido como semiconductor de óxido de metal, MOS, o simplemente MOSFET.
EL JFET
El JFET esta constituido por una barra de silicio tipo N o canal N, introducido en una barra o anillo de silicio tipo P tal como se muestra en la Fig. A
Los terminales del canal N son denominados “SURTIDOR” (SOURCE) y “DRENADOR” (DRAIN). El anillo forma el tercer terminal del JFET llamado COMPUERTA (GATE).
Inicialmente circula una corriente por la compuerta, pero posteriormente la corriente circula únicamente desde el surtidor al Drenador sin cruzar la juntura PN.
El control de esta corriente se efectúa por medio de la aplicación de un voltaje de polarización inverso, aplicado entre la compuerta y el surtidor (VGS), formando un campo eléctrico el cual limita el paso de la corriente a través del canal N (Fig.B). Al aumentar el voltaje inverso, aplicado a la compuerta, aumenta el campo eléctrico, y la corriente de Surtidor a Drenador disminuye.
También se construyen JFET’s con barra de silicio tipo P y anillos de silicio tipo N, denominándose “JFET canal P”.
El voltaje aplicado entre el Drenador y el Surtidor (VDS), no debe sobrepasar el voltaje de ruptura (típicamente 50V) porque destruiría el dispositivo.
Si se aplica polarización directa a la compuerta, circulará una alta corriente por la compuerta que puede destruir el JFET si no esta limitada por una resistencia en serie con la compuerta.
VALORES COMERCIALES PARA EL JFET
Voltaje VDS (V)
Potencia (W)
25,30,40,50
0.15,0.3,1.8,30
Para comprar un JFET se debe indicar su código.
PRUEBA DEL JFET
Se comprueba con un ohmímetro en la escala de Rx1 ó Rx10.
Entre compuerta y surtidor o compuerta y Drenador debe marcar como si fuera un diodo de silicio; es decir alta resistencia en un sentido y baja en el inverso.
Entre Drenador y surtidor, el valor óhmico exclusivamente del material del canal. Su valor varía entre 2K y 10K, siendo el mismo en ambos sentidos.
III.- EQUIPO Y MATERIALES
Dos fuentes de voltaje ajustables de 0 a 15 V.
Un transistor 2N3904
Un multitester digital o analógico
Un JFET K373
Un LED de color (verde, rojo o amarillo)
Resistores ½ W: de 270Ω , 470Ω, 33KΩ, 4.7KΩ, 100KΩ, 1.8KΩ, 2KΩ, 1MΩ.
Potenciómetro de 10KΩ.
IV.- PROCEDIMIENTO
MEDICION DE IDSS Y VP
1º Arme el circuito mostrado en la Fig. 1A, coloque un amperímetro entre el circuito y la fuente de voltaje, encienda esta y observe tanto el amperímetro como el LED, si no pasa corriente (LED apagado), apague la fuente e invierta las conexiones del LED. (Verifique la posición del LED).
2º Arme y conecte el divisor de voltaje de la Fig. 1B y conecte el terminal central a la compuerta (retirarla previamente del nivel de referencia), gire el potenciómetro y observe la corriente, con el voltímetro mida la tensión VGS en el momento en que ID se hace cero.
Los resultados para la Fig. 1A, se muestran en la siguiente tabla:
Los resultados para la Fig. 1B, se muestran en la siguiente tabla:
De donde deducimos que :
IDSS = 5 mA
VP = - 1.85 V
POLARIZACION FIJA
Arme el siguiente circuito, ubique en forma adecuada los instrumentos tal que pueda medir ID y VGS; encienda las fuentes y anote los valores de ID y VGS así también VDS. De ser posible cambie el transistor con otra mesa y anote las nuevas medidas.
Los resultados se muestran en la siguiente tabla:
VALORES TEORICOS CALCULADOS
Sabemos que IG = 0, además:
Tenemos además que ID = IS
VDS = 10V – (RD)(ID)
VDS = 10V – (2K)(1.93mA)
VDS = 6.13 V
VGS = -VGG = -0.7V
VGD = VD – VG = 6.13V – (-0.7V) = 6.83V
AUTOPOLARIZACION
Arme el circuito mostrado. Conecte adecuadamente los instrumentos para medir ID y VGS, encienda las fuente y anote los valores de ID, VGS y las demás tensiones del circuito.
Todo circuito debe ser armado con las fuentes apagados previamente ajustadas al valor dado en el diagrama.
Los resultados se muestran en la siguiente tabla:
VALORES TEORICOS CALCULADOS
VGS = - ID . RS
Eligiendo ID = 4 mA
Tenemos : VGS = - (4 mA)(270)
VGS = - 1.1 V
Estos dos datos nos permiten graficar y mediante la superposición de gráficas se obtienen los siguientes datos:
IDQ = 2.3 mA
VGSQ = - 0.65 V
Tenemos además que ID = IS
VDS = 10V – (ID) (RD+ RS)
VDS = 10V – (2.3 mA) (1800+270)
VDS = 5.23 V
VD = 10V – (2.3 mA) (1800)
VD = 5.86 V
VG = 0V
VGD = VD – VG = 5.86 V – 0 = 5.86 V
POLARIZACION POR DIVISOR DE TENSION
Arme el circuito mostrado y haga las medidas de ID así como las tensiones en los diferentes nudos y puntos del circuito.
Los resultados se muestran en la siguiente tabla:
VALORES TEORICOS CALCULADOS
VG = (R2.VDD)/(R1 +R2)
VG = (33K x 10V)/(100K +33K)
VG = 2.48 V
Sabemos que VGS = VG – ID.RS
VGS = 2.48 V – ID(1.5K)
Cuando ID = 0 mA, entonces VGS = +2.48V
Cuando VGS = 0 V entones ID = 1.6 mA
Estos dos datos nos permiten graficar y mediante la superposición de gráficas se obtienen los siguientes datos:
IDQ = 2.1 mA
VGSQ = - 0.7 V
Tenemos además que ID = IS
VDS = 10V – (ID) (RD+ RS)
VDS = 10V – (2.1 mA) (270+1500)
VDS = 6.28 V
VD = 10V – (2.1 mA) (270)
VD = 9.43 V
VG = 2.48V
VGD = VD – VG = 9.43 V – 2.48 = 6.95 V
POLARIZACION POR FUENTE DE CORRIENTE
Arme el circuito mostrado y realice las medidas de ID, IC y las tensiones entre terminales de los dispositivos (JFET Y BJT) así como en los demás puntos del circuito.
Los resultados se muestran en la siguiente tabla:
VALORES TEORICOS CALCULADOS
VE = -10V - ( -0.7V)
VE = - 9.3 V
Luego IE = (9.3V)/(4.7K)
IE = 1.97 mA
Además : IE = IC = ID = IS
Usando el valor de ID = 1.97 mA, se puede determinar el valor VGS mediante la gráfica mostrada en papel milimetrado.
VGS = - 0.80 V
VC = VB – VGS = 0 V –(-0.80V)
VC = 0.8 V
VDS = 10V – (ID) (RD) - VC
VDS = 10V – (1.97 mA) (470) – 0.8 V
VDS = 8.27 V
VGD = VD – VG = 9 V – 0 V = 9 V
V.- CUESTIONARIO
¿Explicar con sus propias palabras como funciona un JFET?
El FET es un dispositivo controlado por voltaje y no por corriente como lo es el transistor BJT. El control de esta corriente (IDS) se efectúa por medio de la aplicación de un voltaje de polarización inverso, aplicado entre la compuerta y el surtidor (VGS), formando un campo eléctrico el cual limita el paso de la corriente a través de Drenador y Source. Al aumentar el voltaje inverso, aplicado a la compuerta, aumenta el campo eléctrico, y la corriente de Source a Drenador disminuye.
¿Qué diferencia y similitudes existen entre el JFET y el BJT?
La diferencia principal entre las dos clases de transistores es el hecho de que el BJT es un dispositivo controlado por corriente, mientras que el transistor JFET es un dispositivo controlado por voltaje. En otras palabras, la corriente IC es una función directa del nivel de IB. Para el FET la corriente ID será una función del voltaje VGS aplicado a la entrada del circuito.
La semejanza que hay entre el JFET y un transistor bipolar es que ambos dispositivos tienen tres terminales de conexión externas, ambos tiene dos diodos internos con una barrera de potencial de 0.7 V y ambos tienen tres regiones de interés. Además ambos pueden amplificar una señal de entrada y son dispositivos de control de corriente IC ó ID.
Investigue cuales son las ventajas y desventajas del FET.
El JFET tiene una impedancia de entrada casi infinita, pero el precio que se paga por esto es una pérdida de control sobre la corriente de salida. En otras palabras, un JFET es menos sensible a cambios de voltaje de entrada que un transistor bipolar. En casi cualquier FET un cambio en VGS de 0.1 V produce una variación de la corriente de drenador menor que 10 m. Pero en un transistor bipolar el mismo cambio en VBE produce una variación en la corriente de salida mayor que 10 mA.
¿Qué significa esto? Significa que un amplificador JFET tiene mucho menor ganancia de voltaje que un amplificador bipolar. Por esta razón la primera regla de diseño que gobierna a los dispositivos es ésta: utilice bipolares para ganancia de voltaje alta y emplee JFET para alta impedancia de entrada.
Diseñe un circuito experimental donde intervenga un FET.
Cuando un receptor se sintoniza de una estación débil a una estación fuerte, la bocina produce un sonido muy intenso a menos que el volumen se reduzca inmediatamente. O el volumen pueda variar debido a un desvanecimiento, una variación en la fuerza de la señal causada por un cambio eléctrico en la trayectoria entre las antenas de recepción y transmisión. Para evitar cambios no deseados en el volumen, la mayoría de los receptores utilizan control de ganancia automática (CGA).
5.- Justifique teóricamente los voltajes y medidas experimentales. Considere IDSS = 6 mA y VP = -2V
Los voltajes y medidas experimentales se calcularon anteriormente en cada una de las polarizaciones.
6.- Analizar la gráfica obtenida ID = f(VGS) y determine el valor de IDSS y VP
En la gráfica se puede observar que cuando el voltaje VGS = 0 se tiene una corriente máxima de drenador de 4.78 mA. Además mientras se aumenta el voltaje negativo de compuerta la corriente de drenador va disminuyendo tal como se puede observar en la gráfica en papel milimetrado mostrado. Cuando el voltaje negativo de compuerta esta en –1.6 V se tiene una corriente de 0 mA.
De donde se deduce que :
IDSS = 4.7 mA
y VP = -1.6 V
En la mediciones experimentales se pudo observar además que la corriente de compuerta es igual a cero (IG = 0)
ANEXO
Para graficar la curva de transferencia se tomaron 17 datos del voltaje VGS y la corriente ID, los cuales nos permitieron encontrar el valor de :
IDSS = 4.78 mA
VP = -1.6 V
Los datos tomados se muestran en la siguiente tabla:
APLICACIONES DEL FET
PRACTICA Nº 3
I.- OBJETIVOS
Verificar el funcionamiento de un JFET en polarización por divisor de voltaje y autopolarización.
Experimentar circuitos con JFET cuando opera como amplificador.
II.- FUNDAMENTO TEORICO
En los transistores bipolares, una pequeña corriente de entrada (corriente de base) controla la corriente de salida (corriente de colector); en los casos de los FET, es un pequeño voltaje de entrada que controla la corriente de salida.
La corriente que circula en la entrada es generalmente despreciable (menos de un pico amperio). Esto es una gran ventaja, cuando la señal proviene de un dispositivo tal como un micrófono de condensador o un transductor piezo eléctrico, los cuales proporcionan corrientes insignificantes.
Los FET’s, básicamente son de dos tipos:
El transistor de efecto de campo de Juntura o JFET.
El transistor de efecto de campo con compuerta aislada o IGFET, también conocido como semiconductor de óxido de metal, MOS, o simplemente MOSFET.
EL JFET
El JFET esta constituido por una barra de silicio tipo N o canal N, introducido en una barra o anillo de silicio tipo P tal como se muestra en la Fig. A
Los terminales del canal N son denominados “SURTIDOR” (SOURCE) y “DRENADOR” (DRAIN). El anillo forma el tercer terminal del JFET llamado COMPUERTA (GATE).
Inicialmente circula una corriente por la compuerta, pero posteriormente la corriente circula únicamente desde el surtidor al Drenador sin cruzar la juntura PN.
El control de esta corriente se efectúa por medio de la aplicación de un voltaje de polarización inverso, aplicado entre la compuerta y el surtidor (VGS), formando un campo eléctrico el cual limita el paso de la corriente a través del canal N (Fig.B). Al aumentar el voltaje inverso, aplicado a la compuerta, aumenta el campo eléctrico, y la corriente de Surtidor a Drenador disminuye.
También se construyen JFET’s con barra de silicio tipo P y anillos de silicio tipo N, denominándose “JFET canal P”.
El voltaje aplicado entre el Drenador y el Surtidor (VDS), no debe sobrepasar el voltaje de ruptura (típicamente 50V) porque destruiría el dispositivo.
Si se aplica polarización directa a la compuerta, circulará una alta corriente por la compuerta que puede destruir el JFET si no esta limitada por una resistencia en serie con la compuerta.
VALORES COMERCIALES PARA EL JFET
Voltaje VDS (V)
Potencia (W)
25,30,40,50
0.15,0.3,1.8,30
Para comprar un JFET se debe indicar su código.
PRUEBA DEL JFET
Se comprueba con un ohmímetro en la escala de Rx1 ó Rx10.
Entre compuerta y surtidor o compuerta y Drenador debe marcar como si fuera un diodo de silicio; es decir alta resistencia en un sentido y baja en el inverso.
Entre Drenador y surtidor, el valor óhmico exclusivamente del material del canal. Su valor varía entre 2K y 10K, siendo el mismo en ambos sentidos.
III.- EQUIPO Y MATERIALES
Dos fuentes de voltaje ajustables de 0 a 15 V.
Un multitester digital o analógico
Un JFET K373
Resistores ½ W: de 470KΩ , 82KΩ, 1.5KΩ, 820Ω.
Condensador Electrolítico de 4.7μF y 47μF.
IV.- PROCEDIMIENTO
AUTOPOLARIZACION
Arme el circuito mostrado y haga las medidas de ID así como las tensiones en los diferentes nudos y puntos del circuito.
Con los resultados se llena la siguiente tabla:
ANALISIS DE PEQUEÑA SEÑAL
Apague la fuente y agregue al circuito anterior los condensadores y la fuente de señales, energice la fuente y aplique una señal de 0.01 V ( 10 mV a 1KHz) a través de Vi y mida tanto la salida VO como Vi con ayuda del Osciloscopio y determinar la ganancia AC del amplificador de tensión.
Con los resultados se llena la siguiente tabla:
POLARIZACION POR DIVISOR DE TENSION
Arme el circuito mostrado y haga las medidas de ID así como las tensiones en los diferentes nudos y puntos del circuito.
Con los resultados se llena la siguiente tabla:
ANALISIS DE PEQUEÑA SEÑAL
Apague la fuente y agregue al circuito anterior los condensadores y la fuente de señales, energice la fuente y aplique una señal de 0.01 V ( 10 mV a 1KHz) a través de Vi y mida tanto la salida VO como Vi con ayuda del Osciloscopio y determinar la ganancia AC del amplificador de tensión.
Con los resultados se llena la siguiente tabla:
EL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
PRACTICA Nº 6
I.- OBJETIVOS
Verificar el comportamiento de un amplificador Diferencial calculando los valores teóricos y luego verificándolos con los datos medidos.
Experimentar con circuitos de aplicación en la determinación de fallas.
II.- FUNDAMENTO TEORICO
El Amplificador Diferencial
El amplificador diferencial es la etapa de entrada característica de un amplificador operacional. No tiene capacitores de acoplamiento ni de paso, lo que implica que esta directamente acoplado. Por esto, puede amplificar cualquier frecuencia incluyendo la señal de DC, que es equivalente a una señal de frecuencia cero. La corriente de cola en un amplificador diferencial se divide exactamente entre los transistores cuando estos son idénticos.
Características de las dos entradas
Cuando los dos transistores de un amplificador diferencial no son idénticos, las dos corrientes de base son diferentes. La corriente de desajuste de la entrada se define como la diferencia entre las dos corrientes de base. La corriente de polarización de la entrada se define como el promedio de las dos corrientes de base. Las hojas de datos especifican Ien(desajuste) e Ien(polarización).
Ecuaciones Importantes
Corriente de cola
No es más que la ley de Ohm aplicada al resistor de cola de un amplificador diferencial. Esta es una aproximación ideal pues supone que todo el voltaje de alimentación VEE esta a través del resistor de cola. Se puede restar 0.7 V de VEE si se quiere mejorar un poco la respuesta.
Corriente de desajuste de entrada
Ien(desajuste) IB1 - IB2
Esta es la definición de la corriente de desajuste de la entrada. Nos dice que es igual a la diferencia entre las dos corriente de base. Dicha diferencia es una indicación de cuanto difieren los valores de βcd. Cuando un amplificador diferencial es perfecto, la corriente de desajuste de entrada es cero.
Corriente de polarización de entrada
Esta es la definición de la corriente de polarización de entrada. Y nos dice que es igual al promedio de las dos corriente de base.
Ganancia de Voltaje de un amplificador diferencial
Razón de Rechazo en Modo Común
Este es un número grande ya que es igual a la ganancia de voltaje diferencial dividido entre la ganancia de voltaje en modo común. El valor indica la eficacia con que el amplificador operacional o el amplificador diferencial discrimina y bloquea una señal en modo común.
III.- EQUIPO Y MATERIALES
Un generador de audio
Dos fuentes de voltaje de ±15 V o una fuente dual de ±15V
10 resistencias de 1/2 W: 2x22Ω, 2x100Ω, 2x1.5KΩ, 2x4.7KΩ, 2x10KΩ (al 5% de tolerancia)
Dos transistores 2N3904 (o equivalente)
Un condensador de 0.47uF /25V
Un VOM (Multímetro)
Un Osciloscopio
Un potenciómetro de 1K
III.- PROCEDIMIENTO
Corriente de cola y base
Note el par de resistencias reflectoras (22 Ω) en la Fig. 1 han sido incluidas en el experimento para proporcionar la unión entre los transistores discretos. En la Fig. 1 puede asumir que el hFE típico es 200. Calcule aproximadamente la corriente de cola, anotándola en la Tabla 1, también calcule y anote la corriente de base de cada transistor.
Tenemos:
-15V + IB(47K) + VBE + IE(22) + 2IE(1.5K) = 0
Arme el circuito de la Fig. 1, mida y anote la corriente de cola.
Usando un VOM como amperímetro mida la corriente de base de cada transistor. Si el VOM utilizado no es lo suficiente sensible para medir corriente en microAmperios, entonces use el Osciloscopio con la entrada en DC para medir el voltaje a través de cada resistencia de base y calcule la corriente de base. Anote sus resultados en la tabla 1.
Corriente de desvió (Offset) y de polarización.
Con los datos calculados en la Tabla 1 calcular los valores de la corriente de desvío y la corriente de polarización de entrada. Anote tus respuestas teóricas en la Tabla 2.
Con los datos teóricos :
II0 = 23.45uA - 23.45uA = 0
Con los datos medidos:
IIB = (23.45uA + 23.45uA)/2 = 23.45uA
Con los datos de las medidas en la tabla 1 calcule los valores de I10 y I1B. Anotando sus respuestas experimentales en la tabla 2
Con los datos teóricos:
II0 = 19.5uA - 16uA = 3.5uA
IIB = (16uA + 19.5uA)/2 = 17.75uA
Voltaje de desvío de salida
En la fig. 2 asumir que la base de Q1 esta aterrizada mediante un alambre desviador (jumper) si ambos transistores son idénticos y todos los componentes tienen los valores indicados entonces el voltaje DC de salida tendrá un valor de aproximadamente +7.85V. Para esta parte del experimento cualquier desviación de
+7.85 es llamada voltaje de desvío de salida y designado por VO(Desvío).
Arme el circuito de la Fig. 2 con la base de Q1 aterrizada mediante un alambre desviador. Mida el voltaje DC de salida, anotándolo en la Tabla 3. Así mismo calcule el voltaje de salida de desvío de salida VO(Desvío) y anótelo en la tabla 3.
Retire la aterrización de la base de Q1, ajuste el potenciómetro hasta que el voltaje de salida sea +7.85 V.
Mida el voltaje de base de Q1 y anótelo en la tabla 3 como VIO
Ganancia de Voltaje Diferencial
Por efecto de las resistencias reflectoras en la Fig. 3 la ganancia de voltaje diferencial esta dada por RC/2(rE + r'e). Calcule y anote A en la Tabla 4
Hallamos IE:
-15V + IB(100) +VBE + 22(IE) + 1.5K(2IE) = 0
- Arme el circuito, coloque el generador de audio en 1 KHz con un nivel de señal de 0.1Vpp
- Mida los voltajes de entrada y de salida, calcule y anote el valor experimental de A.
Ganancia de voltaje en Modo Común
Calcule la ganancia de voltaje en Modo común ACM del circuito de la Fig. 3 y anótela en la tabla 4
Ponga un alambre de unión entre las bases de su circuito ya construido de la Fig. 3
Incremente el nivel de señal hasta que el voltaje de salida sea aproximadamente de 0.5 VPP
Mida el voltaje pico a pico de entrada; calcule con los datos obtenidos en c) y la primera parte del presente párrafo el valor experimental de ACM, anote su valor en la Tabla 4.
Razón de Rechazo en Modo Común
Calcule el valor teórico de CMRR, usando los datos calculados previamente de la Tabla 4, anotando su valor
Usando los datos experimentales de la Tabla 4, calcule el valor experimental de CMRR y regístrelo.
Determinación de Fallas
En esta parte del experimento, un cortocircuito colector-emisor significa que los tres terminales del transistor están en cortocircuito en conjunto; un circuito abierto colector-emisor significa que el transistor ha sido retirado del circuito.
En el circuito de la Fig. 3 estime el voltaje DC de salida para cada falla listada en la Tabla 5
Introduzca cada una de las fallas en el circuito, mida y anote los voltajes DC en la Tabla 5
Diseño
Seleccione valores de resistencia para el circuito de la Fig. 3 a fin de obtener una corriente de cola de 3 mA y un voltaje DC de salida de 7.5 V. Anote los valores de mayor cercanía a los estándares en la tabla 53.6
Asumiendo RB = 100 Ω
Para hallar RC :
Para hallar RE:
-15V + IB(100) + VBE +22(IE) +RE(2IE) = 0
Arme el circuito con los valores de su diseño. Mida la corriente de cola y el voltaje DC de salida y anótelos.
DATOS
Tabla 1 (Corriente de Cola y de Base)
Tabla 2 (Corrientes de Desvío de entrada y de Polarización)
IIO
IIB
0
23.45uA
3.5uA
17.75uA
Tabla 3 (Voltajes de Desvío de Entrada y de Salida)
VI(desvío)
VO(desvío)
Medido
8.2V
0.35V
Tabla 4 (Ganancia de Voltaje y CMRR)
Tabla 5 (Determinación de Fallas)
Tabla 6 (Diseño)
Preguntas
La corriente de cola de la tabla 1 es cercana a:
1 uA
23.8 uA
47.6 uA
9.53 mA Rpta
La corriente de base calculada en la Fig. 1 es aproximadamente
1 uA
23.8 uA Rpta
47.6 uA
9.53 mA
La corriente de polarización de base de la Fig. 1 es aproximadamente
1 uA
23.8 uA Rpta
47.6 uA
9.53 mA
El voltaje de desvío de entrada es el voltaje de entrada que produce:
la corriente de cola
el voltaje DC de salida
el voltaje de desvío de salida
el voltaje de fuente Rpta
El CMRR de la tabla 4 es cercano a:
0.5
27.5
55 Rpta
123
Porque una alta CMRR es una ventaja en un amplificador diferencial
Porque significa que la ganancia de voltaje en modo común se aproxima a cero o lo que significa también que la eficacia con que el amplificador diferencial discrimina o bloquea una señal en modo común.
Detección de Fallas
En el circuito de la Fig. 3 alguien erróneamente usa 150Ω en lugar de 1.5KΩ para la resistencia de cola ¿Cuáles son algunos síntomas DC y AC que puede esperar?
Se puede esperar que la corriente de emisor aumente demasiado pudiendo saturar el transistor y la ganancia de voltaje en AC disminuiría.
EL AMPLIFICADOR A JFET Y APLICACIONES DEL JFET
PRACTICA Nº 3
I.- OBJETIVOS
Verificar el comportamiento de un amplificador a JFET.
Experimentar con dos circuitos de aplicación del JFET.
II.- FUNDAMENTO TEORICO
En los transistores bipolares, una pequeña corriente de entrada (corriente de base) controla la corriente de salida (corriente de colector); en los casos de los FET, es un pequeño voltaje de entrada que controla la corriente de salida.
La corriente que circula en la entrada es generalmente despreciable (menos de un pico amperio). Esto es una gran ventaja, cuando la señal proviene de un dispositivo tal como un micrófono de condensador o un transductor piezo eléctrico, los cuales proporcionan corrientes insignificantes.
Los FET’s, básicamente son de dos tipos:
El transistor de efecto de campo de Juntura o JFET.
El transistor de efecto de campo con compuerta aislada o IGFET, también conocido como semiconductor de óxido de metal, MOS, o simplemente MOSFET.
CIRCUITO EQUIVALENTE FET DE AC
El circuito equivalente de ac para un FET se ilustra en la figura. Aquí se muestra solo el dispositivo FET con un voltaje de entrada de ac, Vgs.
El modelo de ac, o circuito equivalente de ac, únicamente para el dispositivo FET, consiste en una fuente de corriente controlada por voltaje entre los terminales de Drenaje y de Fuente, que depende del valor gm del dispositivo y del voltaje de ac de entrada Vgs, y una resistencia de ac del dispositivo entre los terminales de drenaje a fuente con valor de rd (resistencia de ac de salida).
EL AMPLIFICADOR FUENTE COMUN CS:
Ganancia de Voltaje
La ganancia de voltaje de un amplificador FET puede obtenerse del circuito equivalente de ac. Del circuito equivalentes de ac se puede observar que:
VO = - (gm.Vgs)(RD||rd)
AV = VO/Vi = [- (gm.Vgs)(RD||rd)]/Vgs
AV = - gm.(RD||rd)
Si el valor de la resistencia del dispositivo, rd, es mucho mayor que la resistencia del circuito, RD, la ecuación para la ganancia de voltaje es casi igual a :
AV = - gm.RD
III.- EQUIPO Y MATERIALES
Dos fuentes de voltaje ajustables de 0 a 15 V.
Un multitester digital o analógico
Un JFET K373
Resistores ½ W: de 270Ω , 4.7KΩ, 100KΩ(2), 1.8KΩ, 10KΩ,1MΩ
Condensador Electrolítico de 4.7μF y 47μF.
Caja de Resistencias decádica
Interruptor
IV.- CIRCUITOS EXPERIMENTALES
V.- PROCEDIMIENTO
1.- AMPLIFICADOR CS FUENTE COMUN
Arme el circuito de la Fig. 1 sin RL y energice la fuente DC previamente calibrada a 10V y mida las tensiones VG, VS y VD. Mediante la ley de Ohm determine la corriente ID en el transistor.
Ajustar el generador de señales a una frecuencia de 1 KHz y coloque un nivel de señal de 0.1 VPP, conecte el generador de entrada del amplificador y observe la señal de salida la cual debe ser una onda senoidal amplificada. Mida y registre el voltaje de salida pico-pico con el osciloscopio y luego calcule la ganancia de voltaje e ingrese los datos en la Tabla I.
Conecte la caja de Resistencias decádica con un valor inicial de 5K, como una resistencia de carga variable, haga variar el valor de dicha resistencia de carga hasta ajustarla a que el voltaje de salida se reduzca a la mitad del voltaje de salida del paso anterior cuando el amplificador esta sin carga (RL= ∞ ), anotando el valor obtenido.
RL = 1791 Ω
2.- INTERRUPTOR ANALOGO
Arme el circuito de la Fig. 2 asegurándose previamente que el interruptor S1 se encuentre abierto y la fuente de corriente continua de 10 voltios tenga la polaridad indicada en la Figura. Coloque el generador de frecuencia a 1000 Hz y 0.1 VPP, luego previamente calibrado el osciloscopio (1 VPP 60 mm) conecte en el punto VO. Luego llene los datos obtenidos en la tabla II.
Interruptor
(abierto/cerrado)
Abierto
cerrado
Señal en el Osciloscopio
(si/no)
No
Si
VI.- CUESTIONARIO
1.- Analizar teóricamente el circuito de la Fig. 1
De la práctica anterior para el JFET K373, se tiene los siguientes datos:
IDSS = 5 mA
Vp = -1.6 V
VGS = - ID . RS
Eligiendo ID = 4 mA
Tenemos : VGS = - (4 mA)(270)
VGS = - 1.1 V
Estos dos datos nos permiten graficar y mediante la superposición de gráficas se obtienen los siguientes datos:
IDQ = 2.15 mA
VGSQ = - 0.6 V
Tenemos además que ID = IS
VDS = 10V – (ID) (RD+ RS)
VDS = 10V – (2.15 mA) (1800+270)
VDS = 5.54 V
VD = 10V – (2.15 mA) (1800)
VD = 6.13 V
VG = 0V
VS = ID.RS = (2.15mA)(270)
VS = 0.58 V
Hallando la ganancia de voltaje:
AV = -gm. RD = -(3.9mS)(1800)
AV = 7
Luego si Vi = 0.1 VPP, entonces:
VO = AV.Vi = (7)(0.1 VPP)
VO = 0.7 VPP
2.- Los resultados obtenidos en el análisis teórico del circuito de la figura 1 compárelos con los datos experimentales y determine el porcentaje de error de cada magnitud medida.
3.- Analizar teóricamente el circuito de la Fig. 2
Un conmutador en derivación JFET como el de la Fig. 2 tiene:
RD = 10 KΩ
IDSS = 5 mA
VP = -1.6 V
Vi = 0.1 VPP
Encontramos el voltaje VO ;
Para esto se calcula el valor ideal de RDS como se sigue:
RDS = 1.6V/5mA = 320 Ω
Cuando VGS = 0, el circuito actúa como un circuito equivalente al:
Con la ley de Ohm,
Cuando VGS = - 10 V, el FET está como un circuito abierto, en la figura anterior es como si se reemplazara la resistencia de 320 Ohmios en infinito. Se puede ver que:
Vsal = Vent = 0.1 V
4.- Enumere las diversas aplicaciones del JFET.
Amplificador
Conmutador analógico
Multiplexado
Troceadores
Amplificador de aislamiento
Amplificador de bajo ruido
Resistencia controlada por voltaje
Control de ganancia automático
5.- Diseñe un circuito amplificador utilizando un JFET.
Se presenta en hoja adicional
EL AMPLIFICADOR OPERACIONAL
PRACTICA Nº 7
I.- OBJETIVOS
Determinar las características de un Amplificador Operacional.
Familiarizarse con las características del amplificador operacional.
II.- FUNDAMENTO TEORICO
Es un circuito amplificador de alta ganancia de voltaje. Normalmente viene encapsulado en una forma modular o circuito integrado.
El amplificador operacional se caracteriza por tener cuatro etapas principales que son:
Dos entradas desfasadas 180º (Amplificador diferencial con fuente de corriente constante)
Una etapa amplificadora de alta ganancia. Generalmente otro amplificador diferencial.
Un circuito desplazador de nivel tal como el amplificador cascodo.
Una etapa amplificadora de pequeña potencia en configuración push-pull o simetría complementaria.
Codificación del Amplificador Operacional
El Amplificador Operacional 741
El código 741, es el más popular de los amplificadores operacionales y cuya característica principal se indica a continuación:
Amplificación : 200,000 Veces típico
Impedancia de Entrada : 2 MegaOhmios
Impedancia de Salida : 75 Ohmios
Disipación de Potencia : 50 mW a 85 mW
Tensión de Alimentación : ±4 V a ±18 V
Aplicaciones del Amplificador Operacional
Amplificador Inversor
Amplificador No-Inversor
Sumador
Substractor
Derivador
Integrador
Logarítmico
Filtros Activos, etc.
III.- EQUIPO Y MATERIALES
Un generador de Audio.
Dos Fuentes de Voltaje de ±15V
8 Resistencias de 1/2 W: 2x100Ω, 1KΩ, 2x10KΩ, 100KΩ, 2x220KΩ.
2 ó 3 amplificadores Operacionales. 741C
Dos condensadores de 0.47μF
Un VOM (Multímetro)
Un Osciloscopio.
IV.- PROCEDIMIENTO
Corriente de desvío (offset) y de polarización de entrada.
El IC 741 tiene una IBI de 80 nA. Asumiendo que esa sea la corriente de base en cada resistencia de 220K, de la Fig. 1 Calcular los voltajes en las entradas no inversora e inversora, anotando en la Tabla 1 los resultados.
V1(-) = (80 nA)(220KΩ) = 17.4 mV
V2(+) = (80 nA)(220KΩ) = 17.4 mV
Arme el circuito de la Fig. 1.
Mida el voltaje DC en la entrada No-inversora y anote su valoren la Tabla 1
Mida y anote el voltaje en la entrada inversora.
Repita los pasos 1 y 4 para los otros chips 741C.
Con los datos medidos en la Tabla 1, calcule la corriente de base y con ello los valores de IIO y de IBI. Anotando sus respuestas en la Tabla 2
Para el IC1 :
IIO(-) = (8.7 mV)/(220K) = 39 nA
IIO(+) = (8.4 mV)/(220K) = 38 nA
IBI = (39 nA + 38 nA)/2 = 38.5 nA
Para el IC2 :
IIO(-) = (5.1 mV)/(220K) = 23 nA
IIO(+) = (4.9 mV)/(220K) = 22 nA
IBI = (23 nA + 22 nA)/2 = 22.5 nA
Voltaje de desvío de salida
Arme el circuito de la Fig. 2 Note los condensadores de desvío usados en cada fuente de voltaje para prevenir oscilaciones, estos condensadores deben conectarse lo más cerca posible de IC.
Mida el voltaje DC de salida anote este valor como VO(desvío) en la tabla 3
Repita el paso anterior con los otros 741C.
Con las resistencias que se muestran en la Fig. 2 el circuito tiene una ganancia de voltaje de desvío de 1000. Calcule el voltaje de desvío de entrada mediante.
VIO = VO(desvío) / 1000
Registre los resultados en la Tabla 3
Para el IC1 :
VIO = 1.36V / 1000 = 1.36 mV
Para el IC2 :
VIO = 1.88V / 1000 = 1.88 mV
Corriente Máxima de Salida
Sobre el circuito que venimos trabajando desconectar el lado derecho de la resistencia de 100K, de la salida.
Conectar el extremo que acabamos de desconectar de la resistencia de 100K, a la fuente de +15V. Esto aplicara aproximadamente 15mV a la entrada inversora más que suficiente para saturar el amplificador operacional.
Reemplace la resistencia de carga de 10K, por un VOM usado como amperímetro. Ya que los amperímetros tienen una muy baja resistencia, el indica la corriente de salida de cortocircuito en forma bastante aproximada.
Lea y anote Imax en la Tabla 3
Con el circuito así modificado repita el paso para los otros 741C.
Rapidez de Respuesta.
Arme el circuito 3 con una R2 de 100K.
De ser posible use un Osciloscopio(tiempo base de 20uS/cm) para observar la salida del amplificador operacional, coloque el generador de audio en 5KHz. Ajuste el nivel de señal para obtener un alto recorte sobre ambos picos de la señal de salida (condición de sobre manejo).
Mida el cambio de voltaje y el tiempo de cambio de la forma de onda, calcule y anote la velocidad de respuesta. (SR)
20 uS ------------ 1 cm
Δt ------------ 0.9 cm
Δt = (20uS)(0.9cm) / (1 cm)
Δt = 18 uS
El Osciloscopio estuvo calibrado:
1 Vpp --------------- 60 mm
ΔV --------------- 20 mm
ΔV = (1Vpp)(20 mm) / (60 mm)
ΔV = 0.33 V
Luego :
SR = ΔV / Δt = 0.33V / 18 uS = 0.018 V/uS
Repita el paso anterior para los otros 741C.
20 uS ------------ 1 cm
Δt ------------ 0.7 cm
Δt = (20uS)(0.7cm) / (1 cm)
Δt = 14 uS
El Osciloscopio estuvo calibrado:
1 Vpp --------------- 60 mm
ΔV --------------- 19 mm
ΔV = (1Vpp)(19 mm) / (60 mm)
ΔV = 0.32 V
Luego :
SR = ΔV / Δt = 0.32V / 14 uS = 0.023 V/uS
Ancho de banda de Potencia
Cambie R2 a 10K, coloque el generador de AC en 1KHz y ajuste el nivel de la señal para obtener 20 VPP en la salida de amplificador operacional.
Incremente la frecuencia de 1 a 20 KHz y observe la forma de onda. En alguna parte alrededor de 8KHz la distorsión de la rapidez de respuesta será evidente porque la forma de onda aparecerá triangular y la amplitud decrecerá.
Registre la frecuencia aproximada donde la distorsión de la rapidez de respuesta comienza en la Tabla (fmax)
Repita todo el proceso de este acápite para los otros 741C
Docilidad AC de Salida
Coloque el generador AC a 1KHz. Incremente el nivel de señal hasta justo el comienzo del recorte de ambos picos.
Registre el valor de pp(PP) para cada uno de os 741C en la Tabla 4
Determinación de Fallas
Mida los Voltajes DC y AC de salida para cada una de las fallas listadas en la Tabla 5.
Registre en la misma Tabla sus datos.
Diseño
Como se ha derivado en la parte teórica la ganancia de voltaje de un circuito como el circuito 1 es igual a R2/R1. Seleccione un valor de R2 para obtener una ganancia de voltaje de 68.
ΔV = R2/R1 , entonces :
R2 = ΔV .R1
R2 = 68 .1K
R2 = 68K
Reemplace R2 por el valor de su diseño y mida la ganancia de voltaje.
Registre sus valores de diseño y la ganancia de voltaje medida en la Tabla 6
D A T O S
TABLA 1: (Voltaje de Entrada)
TABLA 2: (Corriente de Entrada de Desvío y de Polarización)
TABLA 3 : (Voltaje de desvío de entrada y salida)
TABLA 4: (Rapidez de respuesta, ancho de banda de potencia y docilidad de salida AC)
TABLA 5 : (Determinación de Fallas)
TABLA 6 : (Diseño)
R2
A
68 K
68
PREGUNTAS
1.- El voltaje DC calculado en la Tabla 1 es aproximadamente
1 mV
5.6 mV
12.3 mV
17.6 mV Rpta
2.- La corriente de polarización de entrada en la Tabla 2 es cercana a:
1 nA
80 nA
2 mA
25 mA Rpta
3. La corriente de cortocircuito de la Tabla 3 es cercana a:
1 nA
80 nA
2 mA
25 mA Rpta
4. Cuando la frecuencia de entrada fue mucho mayor que fmax de la Tabla 4. La salida se observó:
Senoidal
Triangular Rpta
Cuadrada
No distorsionada
5. La docilidad de salida AC en la Tabla 4 es cercana a:
5 mV Rpta
15 V
25 V
30 V
Explique el significado de la corriente de desvío de entrada y la corriente de polarización de entrada.
El amplificador operacional en su parte interna esta constituido por un amplificador diferencial, y debido a que los dos transistores de un amplificador diferencial no son idénticos, las dos corrientes de base son diferentes. La corriente de desvío de entrada se define como la diferencia entre las dos corrientes de base. Dicha diferencia es una indicación de cuanto difieren los valores de βcd. Cuando un amplificador diferencial es perfecto, la corriente de desajuste de entrada es cero.
La corriente de polarización de la entrada se define como el promedio de las dos corrientes de base. Las hojas de datos especifican Ien(desajuste) e Ien(polarización).
Explique el significado del voltaje de desvío de entrada.
El voltaje de desvío de entrada se define como la diferencia entre los dos voltajes de base. Esta diferencia de voltajes va a ser amplificado por la ganancia que tiene el amplificador operacional, por tal motivo se observa un voltaje en la salida aproximada de 1.36V.
8. Describa como midió la rapidez de respuesta en el experimento.
Teniendo el circuito ya instalado, se uso el Osciloscopio(tiempo base de 20uS/cm) para observar la salida del amplificador operacional, se colocó el generador de audio en 5KHz. Se Ajustó el nivel de señal para obtener un alto recorte sobre ambos picos de la señal de salida. Se midió el cambio de voltaje y el tiempo de cambio de la forma de onda, calculándose la velocidad de respuesta (SR) así:
SR = ΔV / Δt
Diseño
10. ¿Qué valor usó para R2? Y ¿Porqué?
Se usó el valor de 68K debido a que:
ΔV = R2/R1 , entonces :
R2 = ΔV .R1
R2 = (68)(1K)
R2 = 68K
PROYECTO : FUENTE DE ALIMENTACION
I.- FUNDAMENTO TEORICO
FUENTE DE ALIMENTACION
Una fuente de alimentación o de poder, convierte la corriente alterna (220 VAC) de la línea en corriente continua (CC o DC) para alimentar los diferentes equipos electrónicos.
DIAGRAMA EN BLOQUES DE UNA FUENTE DE ALIMENTACION
La fuente de alimentación consta de las siguiente partes:
a.- TRANSFORMADOR DE ENTRADA
Reduce el voltaje de la línea o red al voltaje de AC necesario para lograr un voltaje de salida DC adecuado.
b.- CIRCUITO RECTIFICADOR
Esta conformado por dos o mas diodos de silicio. Estos se encargan de dejar pasar los semiciclos positivos o negativos de la tensión AC entregados por el transformador de entrada. A este proceso de dejar pasar los semiciclos positivos o negativos de la AC se conoce como rectificación positiva o negativa respectivamente.
c.- FILTRAJE
Constituido generalmente por condensadores mayores de 100 uF con o sin bobinas de choque, los cuales se encargan de eliminar el rizado en la salida.
d.- ESTABILIZADOR DE VOLTAJE
Mantiene constante el voltaje de salida de la fuente contra variaciones de consumo de corriente del equipo o carga conectada en los terminales de salida de la fuente.
e.- REGULADOR DE VOLTAJE VARIABLE
Básicamente compuesto por una resistencia variable de tipo lineal y semiconductores asociados. Su propósito es ajustar el voltaje de salida DC de la fuente al voltaje de carga o equipo conectado en los bornes de salida de la fuente.
f.- CIRCUITO DE PROTECCION
Evita que los dispositivos y componentes electrónicos se deterioren por efecto de cortocircuito o excesivo consumo de corriente en los bornes de salida de la fuente.
EL DIODO ZENER
Los diodo rectificadores y los diodos para señales pequeñas nunca se emplean intencionalmente en la región de rompimiento, ya que esto podría dañarlos. Un diodo Zener es diferente, se trata de un diodo de silicio que se ha diseñado para operar en la región de rompimiento. En otras palabras, a diferencia de los diodos ordinarios que nunca trabajan en la región de rompimiento, los diodos Zener funcionan mejor en la región de rompimiento. Llamado a veces diodo de rompimiento, el diodo Zener es la esencia de los reguladores de voltaje, los cuales son circuitos que mantienen el voltaje casi constante sin importar que se presenten grandes variaciones en el voltaje de línea y la resistencia de carga.
La Fig. A muestra el símbolo de un diodo Zener. Variando el nivel de impurificación de los diodos de silicio, el fabricante puede producir diodos Zener con voltaje de rompimiento que van desde 2 hasta 200 V. Estos diodos pueden operar en cualquiera de las tres regiones: directa, de fuga y rompimiento.
La Fig. B muestra la gráfica I-V de un diodo Zener. En la región directa, comienza a conducir aproximadamente a los 0.7 V igual que un diodo ordinario de silicio. En la región de fuga (entre cero y el rompimiento) exhibe solamente una pequeña corriente inversa. En un diodo Zener el rompimiento tiene una rodilla muy pronunciada, seguida de un aumento casi vertical de la corriente. Nótese bien que el voltaje es casi constante, aproximadamente igual a VZ para un valor particular de la corriente de prueba IZT.
II.- CIRCUITOS A UTILIZAR
III.- ANALISIS DE CORRIENTES Y ELECCION DE COMPONENTES
a.- TRANSFORMADOR DE ENTRADA
El transformador debe de ser de 220V en la entrada y 12V-0-12V en la salida. Además debe soportar una corriente máxima de 1 Amperios.
b.- CIRCUITO RECTIFICADOR
Los diodos rectificadores deben de soportar como máximo una corriente de 1 amperio por lo que se puede elegir el 1N4001.
c.- FILTRAJE
Elegimos la capacidad de los condensador electrolítico de 1000 μF, por lo necesitamos encontrar el voltaje de rizo..
El voltaje de pico en el secundario es: VP = 24V/0.707 = 33.95 V
El voltaje a través de la carga es: VCD = 33.95V – (0.7V)(2) = 32.55 V
El voltaje de rizo a través de C1 es:
Vr = I/fC = (0.4 A)/(120)(1000x10-6)
Vr = 3.33 V
Calculo de voltaje de CD
La impedancia capacitivo de la sección Rc es:
La componente CA del voltaje de salida es:
V’r = (XC / R)Vr = (1.3/2.2)(3.33)
V’r = 1.96 V
De donde : VCD(con rizo) = 31.18V – (1.96V)/2 = 30.2 V
El diodo LED indicador de funcionamiento de la fuente (POWER) trabaja con un voltaje de 2 V y una corriente de trabajo de 20 mA. Por lo que la resistencia debe ser de:
Reemplazando:
R = (30V-2V) / 20 mA
R = 900 W
Un valor comercial puede ser el de 1KW
d.- ESTABILIZADOR DE VOLTAJE
Para una carga de 0.4 A y utilizando el transistor Q1 con un B = 50 se obtiene una corriente de Base de:
IB1 = 0.4/50 = 8 mA
El diodo Zener tiene que elegirse con una corriente de 2 mA y un voltaje de:
Vz = 25V
Por lo tanto la resistencia en serie debe ser de:
R2 = (30-25)/(0.008+0.002)
R2 = 500 W
e.- REGULADOR DE VOLTAJE VARIABLE
Los transistores deben de ser de silicio y además:
Q2 : β = 30
Q3 : β = 50
Ib3 = I0 / (β1xβ2) =0.4 / (30x50) = 0.000266 A
Seleccionamos un potenciómetro lineal de 5K, tenemos:
Ipot = VZ / pot = 23V / 5K = 0.0046 A
Por lo tanto la corriente en el potenciómetro es mucho mayor que la Ib3
IC2 = Ib1 = IO / 30 = 0.4 / 30 = 0.013 A
PQ2 = (30V – 1)(0.4) = 11.6 W
PQ3 = (30V – 1 - 0.7V )(0.013A) = 0.36 W
CIRCUITOS EN CORRIENTE CONTINUA
PRACTICA Nº 1
I.- OBJETIVOS
Familiarizarse con el voltímetro y el amperímetro.
Determinación de la resistencia interna usando circuitos serie y paralelo en corriente continua.
Ampliación del rango de medición del voltímetro y el amperímetro.
II.- FUNDAMENTO TEORICO
AMPERIMETROS Y VOLTIMETROS
Los instrumentos mas comunes para medir el potencial o la corriente utilizan un dispositivo denominado galvanómetro de D’arsonval. En el campo magnético de un imán de un imán permanente se coloca una bobina de cable fino giratoria, como se observa en la Fig. 1. Cuando pasa corriente por la bobina, el campo magnético ejerce sobre ella un torque que es proporcional a la corriente. Un resorte se opone al torque, en una acción similar a la de la cuerda de un reloj sobre el volante, ejerciendo un torque restaurador proporcional al desplazamiento angular.
La desviación angular de la aguja indicadora unida a la bobina móvil es entonces directamente proporcional a la corriente de la bobina y puede calibrase el dispositivo para medir la corriente. La desviación máxima diseñada para el medidor, normalmente entre 90º y 120º, se denomina desviación a fondo de escala. La corriente necesaria para producir esta desviación (normalmente entre 10 mA y 10 mA ) y la resistencia de la bobina ( típicamente entre 10 y 1000 Ohmios) son las características esenciales del medidor.
Consideremos a continuación la utilización del medidor de D’Arsonval como instrumento de medición de la corriente, llamado normalmente amperímetro.
Para medir la corriente de un circuito, debe insertarse un amperímetro en serie con el circuito de modo que la corriente que se desea medir pase realmente a través de él. Evidentemente, es deseable que la resistencia del instrumento sea mucho menor que la del resto del circuito, de modo que cuando se acopla el instrumento no varíe lo que queremos medir. Un amperímetro ideal debería tener resistencia nula.
Es mas, el alcance de funcionamiento del galvanómetro, si se utiliza sin modificación alguna, está limitada a una corriente máxima de 1 mA. Este intervalo puede ampliarse y reducir al mismo tiempo la resistencia equivalente, conectando una pequeña resistencia RSH en paralelo con la bobina móvil, como se muestra en la fig. 2. El resistor en paralelo se denomina shunt; su efecto es permitir que parte de la corriente del circuito I se desvíe del medidor y pase por el shunt.
Vamos a considerar ahora la construcción de un voltímetro. Este instrumento mide las diferencias de potencial entre dos puntos, y sus terminales deben conectarse a estos puntos. Un voltímetro ideal tiene una resistencia infinita.
AMPLIACION DEL RANGO DEL AMPERIMETRO
Donde :
Ii = Corriente necesaria para llevar la aguja a desviación máxima.
Ri = Resistencia interna del galvanómetro
IRango = Nuevo rango de corriente
RSh = Resistencia en paralelo para ampliar el rango del amperímetro.
AMPLIACION DEL RANGO DEL VOLTIMETRO
Donde:
Ri = Resistencia interna del voltímetro
Vi = Rango de voltaje del voltímetro
VRango = Nuevo rango de voltaje
RS = Resistencia en serie para ampliar el rango del voltímetro.
DETERMINACION DE LA RESISTENCIA INTERNA DE LA FUENTE DE CORRIENTE CONTINUA
II .- MATERIALES Y EQUIPO
F : Fuente VCC = 0-10 V Heath EUW-17 (AC 110V)
A : Amperímetro I = 1, 10 100 mA Weston Model 660
mA : Galvanómetro Heath EUW-18
RN : Caja de Resistencias Heath EU-30A
R : Resistencia variable de 15 a 10 KW Heath EU-28A
Rsh : 10 W
V : Galvanómetro en 2.5 V Weston Model 660
III.- PROCEDIMIENTO
Medida de Resistencia Interna y ampliación de Rango de un Galvanómetro
Se instala el circuito Nº 1 sin RN.
Sin RN y variando F y R para buscar que la desviación de la aguja del mA indique hasta el fondo de la escala, se obtuvo una corriente de 1.1 mA.
Conectando RN, y manteniendo I constante se hizo RN = Ri en el valor de 41 Ohmios.
Se colocó Rsh y se determinó el rango de medición del nuevo instrumento. Obteniéndose la siguiente tabla:
Medida de la Resistencia interna del voltímetro y ampliación de su rango
Se instaló el circuito Nº 2 sin RN.
Con el rango del voltímetro en 2.5 V y variando F, se llevó la aguja del voltímetro a la máxima defección.
Conectando luego RN como se indica en el circuito y variando RN hasta que la aguja indique la mitad de la desviación máxima. Se obtuvo un RN = Ri cuyo valor fue de 53 K.
Se obtuvo la siguiente tabla:
Determinación de la resistencia interna de la fuente de corriente continua.
Ajustando la fuente de tensión a 2.5 V (Sin RL) se instalo el circuito N 3.
Se midió la corriente en función de RN y se obtuvo la siguiente tabla:
CUESTIONARIO
1.- Explique porqué RN = Ri para el método usado en el amperímetro
Porque si pasa la mitad de la corriente por el mA significa que la otra mitad de la corriente pasa por RN y esto se da cuando las dos resistencias tienen el mismo valor
2.- Razónese porque el voltímetro y el amperímetro con sus características permite medir E e I respectivamente.
El amperímetro se inserta en serie para que la corriente haga que la aguja se mueva. Pero no toda la corriente pasa por la aguja, sino que se diseña un circuito en paralelo para que por la aguja pase solamente la corriente que puede soportar como máximo. Y además la resistencia interna del amperímetro debe ser baja para que no afecte a la corriente del circuito a medir.
El voltímetro por el contrario debe tener una resistencia elevada porque al colocarlo en paralelo, debe tomar mas que una pequeña corriente suficiente para hacer que la aguja se desplace y se pueda hacer la medición.
3.- Qué significado tiene la sensibilidad del voltímetro.
La sensibilidad del voltímetro relaciona la resistencia que tiene por cada voltio. Mientras mas resistencia interna tenga menos corriente tomará y no afectara al circuito a medir.
RESISTENCIAS NO LINEALES
PRACTICA Nº 5
I.- OBJETIVOS
Analizar circuitos conformados por resistencias No Lineales
II.- FUNDAMENTO TEORICO
EL DIODO SEMICONDUCTOR
Algunos dispositivos electrónicos son lineales, es decir su corriente es directamente proporcional a su voltaje. La razón por la cual se le llama lineales es que su gráfica corriente en función del voltaje resulta ser una línea recta. El ejemplo más sencillo de un dispositivo lineal es un resistor ordinario. Si se grafica su corriente contra voltaje, se obtiene una línea recta.
Un diodo es diferente. Debido a la barrera de potencial existente, no se comporta como lo hace un resistor. Por tanto, difícilmente se puede esperar que su gráfica sea igual que la de un resistor. Como se vera una gráfica de corriente en función del voltaje para un diodo es no lineal.
La fig. 1 muestra el símbolo esquemático de un diodo rectificador. El lado p se llama ánodo, y el lado n es el cátodo. El símbolo del diodo es como una flecha que apunta del lado p al lado n, del ánodo al cátodo. Por ello, la flecha del diodo es un recordatorio de que la corriente convencional circula con facilidad del lado p al lado n. Si se prefiere el flujo de electrones, tendrá que invertirse la visualización. En este caso, la dirección fácil para el flujo de electrones es en contra de la flecha del diodo. Dicho en otra forma, puede pensarse que el diodo apunta hacia el lugar de donde vienen los electrones libres.
LA REGION DIRECTA
El voltaje de codo de un diodo es donde la curva para polarización directa comienza a subir. Este voltaje es aproximadamente igual a la barrera de potencial del diodo. El diodo es un dispositivo no lineal porque su gráfica de corriente en función del voltaje no es una línea recta. Siempre se usa un resistor limitador de corriente con un diodo para evitar que la corriente exceda de un cierto valor máximo.
LA REGION INVERSA
En un diodo polarizado inversamente hay una corriente muy pequeña. En primera aproximación, esta corriente es cero porque un diodo polarizado inversamente es como un conmutador abierto.
EL DIODO IDEAL
El diodo ideal es un cortocircuito en la región directa de conducción y es un circuito abierto en la región inversa.
CONDICIONES DE C.C
Aplicando la ley de voltajes de Kirchhoff alrededor del bucle indicado se tendrá la siguiente ecuación:
V = VD + VR
Despejando VD y reemplazando VR = ID.R, obtenemos:
VD = V - ID.R
III.- PARTE EXPERIMENTAL
CIRCUITOS
IV.- EQUIPO Y MATERIALES
F : Fuente de Vcc = 0-15 V
M1 : Voltímetro 0-20 V
M2 : Miliamperímetro 0-10 mA
M3 : Microamperímetro 0-50 uA
R1 : Uno o dos diodos en sentido directo Imax=10 mA
R2 : 1 K W
R3 : Diodo en sentido inverso Vr(máx) = -15 V
R4 : 100 KW
V.- PROCEDIMIENTO
1.- Se hizo la medida de las resistores mediante el multitester resultando:
R2 = 1100 W
R3 = 100 KW
2.- Del circuito de la figura 4 resultaron los siguientes datos:
3.- Del circuito de la Fig. 5 resultaron los siguientes datos:
FUENTES DE ALIMENTACION NO REGULADAS
PRACTICA Nº 6
I.- OBJETIVOS
Observar mediante el Osciloscopio la rectificación de la corriente alterna a media onda y onda completa.
Comprobar la disminución de la componente alterna de la señal rectificada usando filtros.
Determinar el factor de rizado de los filtros estudiados.
Verificar la dependencia de la señal continua de salida de la carga y con el condensador.
II.- INFORMACION PRELIMINAR
EL TRANSFORMADOR DE ENTRADA
El transformador de entrada es usualmente un transformador reductor. En este tipo de transformador, el voltaje se reduce y la corriente se eleva. Una forma de no olvidar esto es recordar que la potencia de salida es igual a la potencia de entrada en un transformador sin pérdidas.
EL RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA
El rectificador de media onda tiene un diodo en serie con un resistor de carga. El voltaje en la carga es la mitad de una onda sinusoidal rectificada con un valor pico aproximadamente igual al voltaje secundario pico. El voltaje de carga promedio o de cd cd igual al 31.8 % del voltaje de carga pico.
EL RECTIFICADOR DE ONDA COMPLETA
El rectificador de onda completa tiene un transformador con conexión al centro, con dos diodos y un resistor de carga. El voltaje de la carga es una onda sinusoidal completa rectificada con un valor pico aproximadamente igual a la mitad del voltaje secundario pico. El voltaje de carga promedio o de cd es igual al 63.6 % del voltaje de carga pico.
La frecuencia de rizo es igual al doble de la frecuencia de entrada.
RECTIFICADOR DE PUENTE
El Rectificador de puente tiene cuatro diodos. El voltaje de carga es una onda sinusoidal rectificada completa con un valor pico aproximadamente igual al voltaje secundario pico. El voltaje de carga promedio o de cd es igual al 63.6 % del voltaje de carga pico. La frecuencia de rizo es el doble de la frecuencia de línea.
FILTRO CON CAPACITOR A LA ENTRADA
Este es un capacitor conectado entre los extremos del resistor de carga. La idea es la de cargar el capacitor al voltaje pico y dejar que suministre corriente a la carga cuando los diodos no estén conduciendo. Con un capacitor grande, el rizo es pequeño y el voltaje de carga es casi un voltaje de cd puro.
III.- EQUIPO Y MATERIALES
O : Osciloscopio
V : Voltímetro
A : Amperímetro
P : Puente de diodos 1A
D : Diodos de Silicio (2) 1N4002
C : Condensadores 22mF/50V, 47mF/50V, 100mF/ 16V, 470mF/ 16V,
RL : 220W, 1KW, 4.7KW
IV.- PROCEDIMIENTOS
1.- Se Calibró el Osciloscopio y luego se instaló el circuito de la Fig. 1
Si 1 VPP = 29 mm, entonces 600 mm = 20.68 VPP (voltaje de entrada)
Voltaje de Entrada
La medición de voltaje alterno fue de 20.68 VPP y nos dio una forma de onda sinusoidal tal como se muestra en la siguiente figura:
RL=1KW
Voltaje de Salida
La forma de onda de salida es la que se muestra:
2.- Circuito de la Fig. 2
La forma de onda de la salida es la siguiente:
RL=1KW
3.- Circuito de la Fig. 3
La forma de onda de la salida es la siguiente:
RL=1KW
4.- Circuito de la Fig. 4
La forma de onda de la salida es la siguiente:
De los resultados se construyó la siguiente tabla:
Para RL = cte
Para C = cte
CONCLUSIONES
De los resultados del cuadro se puede notar que:
Si tenemos RL = Cte. y aumentamos la capacidad del condensador se produce un menor rizado en la salida del circuito.
Si tenemos C = Cte, y aumentamos el valor de la resistencia RL, menor es el voltaje de rizado que se obtiene.
El voltaje de rizado es directamente proporcional a la corriente en el circuito.
Si queremos tener un voltaje continuo en la salida tenemos que aumentar la capacidad del condensador. Por lo que generalmente para estos casos se utiliza una capacidad de 2200uF.
V.- CUESTIONARIO
1.- Compare los gráficos obtenidos para los tres primeros circuitos y haga un comentario sobre los mismos
En el primer gráfico se puede apreciar que el diodo conduce solamente en un sentido, por lo que se observa el semiciclo positivo solamente.
En el segundo gráfico se puede apreciar los dos semiciclos, pero uno de ellos a sido invertido debido a la posición que tienen los diodos y de que la salida del transformador tiene una derivación central.
En el tercer gráfico se puede apreciar la misma forma de onda que la anterior, debido a que ahora son los cuatro diodos los que hacen que en la carga se tenga los dos semiciclos como positivos.
2.- Calcule el factor de rizado para las combinaciones de la carga (RL) y el filtro de condensador utilizados y compárelos
FILTRADO POR CONDENSADOR Y REGULACION POR ZENER
PRACTICA Nº 7
I.- FUNDAMENTO TEORICO
FUENTE DE ALIMENTACION
Una fuente de alimentación o de poder, convierte la corriente alterna (220 VAC) de la línea en corriente continua (CC o DC) para alimentar los diferentes equipos electrónicos.
DIAGRAMA EN BLOQUES DE UNA FUENTE DE ALIMENTACION
La fuente de alimentación consta de las siguiente partes:
a.- TRANSFORMADOR DE ENTRADA
Reduce el voltaje de la línea o red al voltaje de AC necesario para lograr un voltaje de salida DC adecuado.
b.- CIRCUITO RECTIFICADOR
Esta conformado por dos o mas diodos de silicio. Estos se encargan de dejar pasar los semiciclos positivos o negativos de la tensión AC entregados por el transformador de entrada. A este proceso de dejar pasar los semiciclos positivos o negativos de la AC se conoce como rectificación positiva o negativa respectivamente.
c.- FILTRAJE
Constituido generalmente por condensadores mayores de 100 uF con o sin bobinas de choque, los cuales se encargan de eliminar el rizado en la salida.
d.- ESTABILIZADOR DE VOLTAJE
Mantiene constante el voltaje de salida de la fuente contra variaciones de consumo de corriente del equipo o carga conectada en los terminales de salida de la fuente.
e.- REGULADOR DE VOLTAJE VARIABLE
Básicamente compuesto por una resistencia variable de tipo lineal y semiconductores asociados. Su propósito es ajustar el voltaje de salida DC de la fuente al voltaje de carga o equipo conectado en los bornes de salida de la fuente.
f.- CIRCUITO DE PROTECCION
Evita que los dispositivos y componentes electrónicos se deterioren por efecto de cortocircuito o excesivo consumo de corriente en los bornes de salida de la fuente.
EL DIODO ZENER
Los diodo rectificadores y los diodos para señales pequeñas nunca se emplean intencionalmente en la región de rompimiento, ya que esto podría dañarlos. Un diodo Zener es diferente, se trata de un diodo de silicio que se ha diseñado para operar en la región de rompimiento. En otras palabras, a diferencia de los diodos ordinarios que nunca trabajan en la región de rompimiento, los diodos Zener funcionan mejor en la región de rompimiento. Llamado a veces diodo de rompimiento, el diodo Zener es la esencia de los reguladores de voltaje, los cuales son circuitos que mantienen el voltaje casi constante sin importar que se presenten grandes variaciones en el voltaje de línea y la resistencia de carga.
La Fig. A muestra el símbolo de un diodo Zener. Variando el nivel de impurificación de los diodos de silicio, el fabricante puede producir diodos Zener con voltaje de rompimiento que van desde 2 hasta 200 V. Estos diodos pueden operar en cualquiera de las tres regiones: directa, de fuga y rompimiento.
La Fig. B muestra la gráfica I-V de un diodo Zener. En la región directa, comienza a conducir aproximadamente a los 0.7 V igual que un diodo ordinario de silicio. En la región de fuga (entre cero y el rompimiento) exhibe solamente una pequeña corriente inversa. En un diodo Zener el rompimiento tiene una rodilla muy pronunciada, seguida de un aumento casi vertical de la corriente. Nótese bien que el voltaje es casi constante, aproximadamente igual a VZ para un valor particular de la corriente de prueba IZT.
II.- EQUIPO Y MATERIALES
Un transformador de 6.3 V AC (Salida de caldeo de Válvula de las IP-17)
Un puente de diodos de 1 A
Un diodo Zener de 5.1 V y ½ W
5 Resistencias de ½ W: 100W, 270W, 390W, 470W, 680W, 1KW.
1 Condensador de 470 uF / 25V
1 VOM (Multímetro digital o Analógico)
Un Osciloscopio
III.- PROCEDIMIENTO
FILTRADO DE SALIDA RECTIFICADA
Se instaló el siguiente circuito:
Se midió el voltaje sobre la carga tanto en DC como en AC y con los valores se hizo la siguiente tabla:
Se calibró el Osciloscopio con:
1.5V ------ 190 mm para CD
1 VPP ------ 120 mm para AC
C = 470 uF
REGULADOR POR ZENER
Se instaló el siguiente circuito:
Se midió el voltaje sobre la carga tanto en DC como en AC y con los valores se hizo la siguiente tabla:
Se calibró el Osciloscopio con:
1.5V ------ 190 mm para CD
1 VPP ------ 120 mm para AC
C = 470 uF
IV.- CONCLUSIONES
Filtrado de la salida rectificada
Cuando aumentamos la resistencia de carga (disminuimos la corriente) el rizado disminuye.
Cuando el rizado disminuye el voltaje CC en la carga aumenta.
Regulador por Zener
Cuando aumentamos la resistencia de carga (disminuimos la corriente) el rizado disminuye.
El Voltaje en la salida esta estabilizada por el diodo Zener de 5.2 Voltios.
Si hubiera un aumento de voltaje en la salida del transformador la resistencia de carga tendría el mismo voltaje de 5.2 Voltios, y el voltaje variación de voltaje recaería sobre la resistencia de 100 Ohmios.
El rizado también se puede controlar aumentando la capacidad del condensador.
INFLUENCIA DE LA TEMPERATURA Y LA INTENSIDAD
LUMINOSA EN SEMICONDUCTORES
PRACTICA Nº 8
I.- FUNDAMENTO TEORICO
CELDAS FOTOCONDUCTIVAS
La celda fotoconductiva es un dispositivo semiconductor de dos terminales cuya resistencia terminal variará (linealmente) con la intensidad de la luz incidente. Por razones obvias, con frecuencia se llama dispositivo fotorresistivo.
Entre los materiales fotoconductivos que se utilizan más a menudo se encuentran el sulfuro de cadmio (CdS) y el selenuro de cadmio (CdSe). La respuesta espectral máxima del CdS ocurre a aproximadamente 5100 Å y para el CdSe de 6150 Å. El tiempo de respuesta de las unidades de CdS es de alrededor de 100 mS y de 10 mS para las celdas de CdSe. La celda fotoconductiva no tiene una unión como la del fotodiodo. Una capa delgada de material conectada entre los terminales simplemente se expone a la energía luminosa incidente.
Cuando aumenta la intensidad de la iluminación sobre el dispositivo, se incrementa también el estado de energía de un gran número de electrones en la estructura debido al aumento de disponibilidad de los paquetes de fotones de energía. El resultado es un número mayor de electrones relativamente “libres” en la estructura y una disminución de la resistencia del terminal. La curva de sensibilidad para un dispositivo fotoconductivo típico aparece en la Fig. 2. Nótese de la linealidad (cuando se grafica empleando una escala log–log) para el cambio indicado de iluminación.
CELDAS SOLARES
La construcción básica de una celda solar de unión p-n de silicio se presenta en la Fig. 3. Como se muestra en vista superior, se hace todo tipo de esfuerzos para asegurar que el área superficial perpendicular al sol sea máxima. Además nótese que la capa metálica conectada al material tipo p y el grosor de este mismo son tales que aseguran que un número máximo de fotones de energía luminosa alcancen la unión. Un fotón de energía luminosa en esta región puede chocar con un electrón de valencia e impartir suficiente energía para que abandone el átomo padre. El resultado es una generación de electrones libres y huecos. Este fenómeno ocurrirá a cada lado de la unión. En el material tipo p los nuevos electrones generados son portadores minoritarios y se moverán con bastante libertad a través de la unión, como en el caso de la unión p-n básica sin polarización aplicada. Un argumento similar se cumple para los huecos generados en el material tipo n. El resultado es un aumento en el flujo de portadores minoritarios, cuya dirección es opuesta a la de la corriente directa convencional de una unión p-n.
El selenio y el silicio son los materiales que más se usan en las celdas solares, aunque también se emplean, entre otros, el arseniuro de galio, el arseniuro de indio y el sulfuro de cadmio. La longitud de onda incidente afectará la respuesta de la unión p-n ante los fotones incidentes.
II.- EQUIPO Y MATERIALES
Una fotoresistencia
Una fotocelda
Un termistor
Un reflector
Una regla graduada de 1 m
Un multitester Analógico y digital
1 termómetro
Agua y hielo
III.- PROCEDIMIENTO
A.- CON LA FOTORESISTENCIA
Para cada distancia se mide el valor de la resistencia en el multitester y estos valores se apuntan en la tabla siguiente:
B.- PARA LA FOTOCELDA
Para cada distancia se mide el valor de la corriente en el multitester y estos valores se apuntan en la tabla siguiente:
C.- PARA EL TERMISTOR
Para cada grado 3º C se mide el valor de la resistencia en el multitester y estos valores se apuntan en la tabla siguiente:
Tenemos la Ecuación:
Luego:
ln R = ln A + (B/T)ln e
ln R = ln A + (1/T) (B ln e)
pero si Y = A’ + B’ X;
Resulta que Y = ln R
X = 1/T
El valor de A’ esta dado por:
Reemplazando resulta:
A’ = 4.837
El valor de B’ esta dado por:
Reemplazando resulta:
B’ = 0.839
Φ = 9.859
Entonces :
Y = 4.837 + 0.839 X
A’ = ln A
A = e A’
A = e4.837
A = 126
B’= B ln e
B = B’/lne
B = 0.839/1
B = 0.839
IV.- CONCLUSIONES
En la fotoresistencia, al disminuir la distancia de la lámpara hasta el dispositivo fotoresistivo disminuye la resistencia.
En la fotocelda, al disminuir la distancia de la lámpara hasta el dispositivo fotovoltaico aumenta la corriente.
Para el termistor, al aumentar la temperatura disminuye la resistencia.
POLARIZACION DEL TRANSISTOR
PRACTICA Nº 9
I.- FUNDAMENTO TEORICO
El transistor bipolar es un dispositivo que posee tres capas semiconductoras con sus respectivos contactos llamados; colector(C), base(B) y emisor(E).
La palabra bipolar se deriva del hecho que internamente existe una doble circulación de corriente: electrones y lagunas o agujeros.
A.- CLASIFICACION DE LOS TRANSISTORES BIPOLARES
Los transistores bipolares se clasifican de la siguiente manera:
1.- Por la disposición de sus capas
- Transistores PNP
- Transistores NPN
2.- Por el material semiconductor empleado
- Transistores de Silicio
- Transistores de Germanio
3.- Por la disipación de Potencia
- Transistores de baja potencia
-Transistores de mediana potencia
- Transistores de alta potencia
4.- Por la frecuencia de trabajo
- Transistores de baja frecuencia
- Transistores de alta frecuencia
B.- POLARIZACION DE LOS TRANSISTORES BIPOLARES
Para que un transistor bipolar funcione adecuadamente, es necesario polarizarlo correctamente. Para ellos se debe cumplir que:
- La juntura BASE - EMISOR este polarizado directamente, y
- La juntura COLECTOR – BASE este polarizado inversamente.
Ejemplo: Si el transistor es NPN, la base debe tener un voltaje positivo con respecto al emisor y el colector debe tener un voltaje también positivo pero, mayor que el de la base. En el caso de un transistor PNP debe ocurrir lo contrario.
C.- CODIFICACION DE LOS TRANSISTORES BIPOLARES
Los transistores tienen un código de identificación que en algunos casos especifica la función que cumple y en otros casos indica su fabricación.
Pese a la diversidad de transistores, se distinguen tres grandes grupos: Europeos, Japoneses y Americanos.
CODIFICACION EUROPEA
Primera letra
A : Germanio
B : Silicio
Segunda Letra
A : Diodo (excepto los diodos túnel)
B : Transistor de baja potencia
D : Transistor de baja frecuencia y de potencia
E : Diodo túnel de potencia
F : Transistor de alta frecuencia
L : Transistor de alta frecuencia y potencia
P : Foto – semiconductor
S : Transistor para conmutación
U : Transistor para conmutación y de potencia
Y : Diodos de potencia
Z : Diodo Zener
Número de serie
100 – 999 : Para equipos domésticos tales como radio, TV, amplificadores, grabadoras, etc.
10 – 99 y la letra X, Y o Z : Para aplicaciones especiales.
Ejemplo : AD149, es un transistor de potencia, de germanio y sus aplicaciones son de baja frecuencia.
CODIFICACION JAPONESA
Primero
0 (cero) : Foto transistor o fotodiodo
1 : Diodos
2 : Transistor
Segundo
S : Semiconductor
Tercero
A : Transistor PNP de RF (radiofrecuencia)
B : Transistor PNP de AF (audiofrecuencia)
C : Transistor NPN de RF
D : Transistor NPN de AF
F : Tiristor tipo PNPN
G : Tiristor tipo NPNP
Cuarto
Número de serie : comienza a partir del número 11
Quinto
Indica un transistor mejor que el anterior
Ejemplo:
Es un transistor PNP de RF con mejores características técnicas que el 2SA186.
CODIFICACION AMERICANA
Anteriormente los transistores americanos empezaban su codificación con el prefijo 2N y a continuación un número que indicaba la serie de fabricación. Ejemplo 2N3055, 2N2924, etc.
Actualmente, cada fábrica le antepone su propio prefijo, así se tiene por ejemplo : TI1411, ECG128, etc. que corresponden respectivamente a TEXAS INSTRUMENTS Y SYLVANIA.
II.- MATERIALES Y EQUIPO
Una Fuente de Tensión de 0 a 15 V
Un transistor 2N3904 (NPN) o equivalente
9 Resistencias de ½ W: 100Ω,750Ω,910Ω, 1KΩ, 2.2KΩ, 3.3KΩ, 10KΩ, 270KΩ, 470KΩ.
Un VOM (Multímetro digital o analógico)
III.- PROCEDIMIENTO
POLARIZACION FIJA DE BASE
- El circuito con el que se trabajó es el siguiente:
En las mediciones prácticas se obtuvieron los siguientes resultados:
RESULTADOS TEORICOS
Si consideramos B=188
Tenemos
En la Malla de base:
Ib(270K)+0.7V=15V
Ib = (15V-0.7V)/(270K)
Ib = 52.96uA
Ic = B(Ib)
Ic = (188)(52.96uA)
Ic = 9.96 mA
En la malla de colector
Ic(750)+Vce = 15V
Vce = 15V – (9.96mA)(750)
Vce = 7.53 V
POLARIZACION POR EMISOR
- El circuito con el que se trabajó es el siguiente:
En las mediciones prácticas se obtuvieron los siguientes resultados:
Si consideramos B=188
Tenemos
En la Malla de base:
Ib(470K)+0.7V+Ie(100) = 15V
Ib = (15V-0.7V)/(470K+100(188+1))
Ib = 29.25uA
Ic = Ib(188)
Ic = (29.25uA)(188)
Ic = 5.4 mA
En la malla de colector
Rc.Ic + Vce + Re.Ie = 15V
Vce = 15V – (910)(5.4mA)-(100)(5.4mA)
Vce = 9.55 V
Ve = (100)(5.4mA)
Ve = 0.54 V
Vc = 9.55V + 0.54V
Vc = 10.09V
Vb = 0.7V + 0.54V
Vb = 1.24V
POLARIZACION POR DIVISOR DE VOLTAJE
- El circuito con el que se trabajó es el siguiente:
En las mediciones prácticas se obtuvieron los siguientes resultados:
Si consideramos B=225
Tenemos
En la Malla de base:
Ib(Rbb)+0.7V+Ie.Re = Vbb
Ib(1.8K)+0.7V+Ie(1000) = 2.7V
Ib = (2.7V-0.7V)/(1.8K+1000(225+1))
Ib = 8.77uA
Ic = Ib(225)
Ic = (8.77uA)(225)
Ic = 1.97mA
En la malla de colector
Rc.Ic + Vce + Re.Ie = 15V
Vce = 15V – (3.3K)(1.97mA)-(1000)(1.97mA)
Vce = 6.5 V
Ve = (1000)(1.97mA)
Ve = 1.95V
Vc = 6.5V + 1.97V
Vc = 8.45V
Vb = 0.7V + 1.95V
Vb = 2.65 V
IV.- CONCLUSIONES
La corriente de colector es aproximadamente igual a la corriente del emisor. La corriente de base es mucho más pequeña, generalmente menor que el 5% de la corriente de emisor.
La razón de la corriente de colector a la corriente de base se llama ganancia de corriente, y se le denota por βCD o bien por hFE.
Cuando el transistor se usa como amplificador, el transistor opera en la región activa. Cuando se usa en circuitos digitales, el transistor usualmente opera en las regiones de saturación y/o corte.
APLICACIONES DEL TRANSISTOR BIPOLAR
PRACTICA Nº 10
I.- OBJETIVOS
Identificar el tipo de transistor con ayuda del manual del fabricante sea a través de la hoja de datos o de la hoja de reemplazo.
Reconocer e identificar los terminales del encapsulado del transistor.
Verificar el funcionamiento del transistor cuando opera como amplificador.
Aplicar correctamente un sistema de la fuente y resistores a fin de la polarización del transistor.
Aplicar un transistor en la implementación de un circuito amplificador de tensión de señal AC.
II.- FUNDAMENTO TEORICO
IDENTIFICACION DEL TRANSISTOR BIPOLAR
1.- Identificación de los terminales
Con un ohmímetro en la escala de Rx1 y teniendo cuidado que los terminales externos del ohmímetro coincidan con la polaridad de la batería o pila interna, se efectúa lo siguiente:
Se numeran las patitas al azar. ver Fig. A
Se coloca el ohmímetro tal como se indican las figuras B, C, D, etc., hasta obtener dos lecturas de baja resistencia con un punto común tal como señalan las figuras B y D, en donde el punto común es el contacto número 2. En caso de no obtener las dos lecturas de baja resistencia, intercambie las puntas de prueba y repita las mediciones
indicadas en las figuras B, C, D.
El contacto común (en este caso la patita 2) viene a ser la BASE del transistor.
Para ubicar el contacto de colector, de las dos lecturas de baja resistencia se selecciona la menor. La diferencia es de solamente algunos ohmios; en algunos casos son décimos de ohmio.
Supongamos que la Fig. B tenga una resistencia mucho menor que la Fig. D; en este caso el COLECTOR viene a ser el contacto número 1.
El contacto restante (o sea la patita número 3) será la conexión de EMISOR.
Si el transistor posee cuatro patitas, generalmente una de ellas hace contacto con el recubrimiento metálico del transistor (contacto de masa). Esta patita se descarta y se considera únicamente las tres restantes.
2.- Identificación del tipo de transistor
Utilizamos las mediciones anteriores observando la polaridad del terminal del ohmímetro que le correspondió a la BASE. En el ejemplo de las Figuras notamos que la BASE le correspondió el polo positivo luego, el transistor será del tipo NPN. Si le hubiera correspondido el polo negativo a la BASE, el transistor sería PNP.
III.- EQUIPO Y MATERIALES
VCC : Fuente de corriente continua 6V
Vi : Fuente de Señales AC
O : Osciloscopio
V : Multímetro
Q : Transistor de Silicio 2N3904
LED : Diodo Emisor de Luz BC338-CBC
R : Resistencias : 100Ω,33KΩ,10KΩ,1.5KΩ,6.8KΩ,1KΩ
C : Condensadores 4,7 μF y 47 μF.
IV.- PROCEDIMIENTO
1.- Construya el circuito de la Figura identificando los terminales del transistor, con el interruptor en la posición de apagado, energice el circuito y observe la luminosidad del LED (apagado), desplace el interruptor a la posición de encendido y el diodo LED debe emitir luz de no ser así observar la polaridad del diodo (LED), intercambie la posición de encendido del interruptor por varias veces rectificando el normal funcionamiento del interruptor de luz del LED.
En este circuito se pudo apreciar que funcionaba entre el corte y saturación por lo que se pudieron determinar los siguientes datos:
En la posición de apagado(corte):
La corriente de colector es cero
El voltaje de colector a emisor era de 4.8V
En la posición de encendido(saturación):
L a corriente de colector es de 23 mA
El voltaje de colector a emisor era de 0.65 V
El voltaje en el diodo LED era de 2.2V
2.- Construya el circuito de la figura y mida las diferencias de tensiones con respecto a tierra: VC, VB, VE.
En el circuito se tomaron los siguientes datos:
VC = 4.5V
VB = 3V
VE = 2.5V
VCE = 1.7V
IC = 2.2 mA
IB = 0.016mA
β = 137.5
3.- Apague la fuente y agregue al circuito anterior los condensadores y la fuente de señales, energice la fuente y aplique una señal de 0.01 V ( 10 mV a 1KHz) a través de Vi y mida tanto la salida VO como Vi con ayuda del osciloscopio y determinar la ganancia AC del amplificador de tensión.
El Osciloscopio se calibró para que 1VPP = 550 div
Por lo tanto:
Para la entrada se tuvo 6 divisiones que equivalen a 10.9 mV
Para la salida se tuvo 300 divisiones que equivalen a 0.55 V
La ganancia AC del amplificador de tensión se determinó:
ΔV = Vo/Vi = (0.55V)/(0.0109V)
ΔV = 50.4
METODO DE LOS MINIMOS CUADRADOS
Suponiendo que los puntos observados en la gráfica tienen una distribución rectilínea, se plantea una ecuación cuya forma general es:
Y = A + BX
Un punto de esta recta esta dado por:
Yi = A + BXi
y para N puntos (número de datos)
A partir de esta ecuación puede obtenerse
De (1) y (2) se obtienen los parámetros A y B de la recta.
Donde:
La desviación estándar de A y B se calcula en términos de la distribución de valores dYi.
dYi = Yi – (BXi + A)
Desviación estándar de A y B se calcula según:
Donde:
NOTA.- La aplicación del método de los mínimos cuadrados se restringe al caso especial de que toda incertidumbre se limita a la dimensión y; esto es, los valores x se conocen exactamente, o al menos con una precisión tanto mayor que los valores de y, como para despreciar la incertidumbre en la dimensión x.
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