Polarización de transistores bipolares

2. Objeto de la
   práctica
3. Elementos de circuito e
   instrumentos a utilizar
4. Circuitos a
   utilizar
5. Análisis
   teórico
6. Valores
   Medidos
7. Comportamiento con respecto a
   la variación de la temperatura
8. Cálculo de la
   desviación relativa de la muestra
9. Conclusiones

1. Encontrar el circuito de polarización
   más estable en función de la dispersión del HFE
   de los transistores de un mismo tipo (debido a las
   tolerancias en la fabricación), y a la
   variación de la temperatura ambiente.
   Se compararán los tres circuitos
   de polarización más utilizados; utilizando 5
   muestras de transistores que representan las dispersiones
   típicas en la fabricación, que existirán
   entre ellos.

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

2. Objeto de la
   práctica:
   1. Fuente de Tensión: Leader LPS-164A (n de
      serie 7080107)
      1. YFE-YF-3502 (n de serie
         041101287)
      2. Beckman Industrial DM27XL (n de serie
         20802482)
   2. Tester:
   3. Resistores: 1M5, 1M2, 4k7, 180k, 100k 3k3,
      1k2.
   4. Transistor PNP 2SA733
   5. Termómetro de contacto con indicador
      digital.
   6. Calefactor portatil
   7. Protoboard
3. Elementos de
   circuito e instrumentos a utilizar:
4. Circuitos a
   utilizar:

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

Polarización por divisor de
tensión (Cto.3)

4. Análisis
teórico:

5. Valores
Medidos:

HFE:

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

Resistores:

Circuito 1

• RB= 1,537 MΩ

• RC= 4,71 KΩ

Circuito 2

• RB= 1,276 MΩ
• RC= 4,74 KΩ

Circuito 3

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

TABLAS

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

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

• Tabla 1

• Tabla 2

• Tabla 3

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

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

• Tabla 4

1. Cálculo de la desviación relativa
   de la muestra:

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

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

• Tabla 5 Desviaciones relativas

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

   	IBQ CONSTANTE
   	IBQ[μA]	ICQ[mA]	VCEQ[V]	HFE
   Teórico	7,57	1,51	4,89	200
   Práctico	7,38	1,5	4,94	200
   Spice	7,54	2,14	3,43	345

   	REALIMENTACIÓN POR COLECTOR
   	IBQ[μA]	ICQ[mA]	VCEQ[V]	HFE
   Teórico	6,71	1,34	8,7	200
   Práctico	5,98	1,33	8,69	200
   Spice	6,03	1,77	7,91	345

   	DIVISOR RESISTIVO
   	IBQ[μA]	ICQ[mA]	VCEQ[V]	HFE
   Teórico	9,75	1,95	3,23	200
   Práctico	10,05	2,01	3,19	200
   Spice	7,66	2,17	3,29	345

2. Conclusiones:
3. Cuestionario:

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

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

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

Datos del autor:

Alejandro Ariel Terrado

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

UNIVERSIDAD TECNOLOGICA NACIONAL

FACULTAD REGIONAL RIO GRANDE

CATEDRA ELECTRONICA APLICADA 1

GUIA DE TRABAJO PRACTICO Nº 2