Estudio Experimental de Transistores

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Scientia et Technica Año XVI. Octubre de 2021. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701 1
Transistores
Transistors
Autor 1: Esteban Escalante Córdoba Autor 2: J. Camilo Aguirre Bonilla, Autor 3: Eric Hernández Acosta
Ingeniería Física, Universidad Tecnológica de Pereira, Colombia
esteban.escalante@utp.edu.co
juancamilo.aguirre@utp.edu.co
eric.hernandez@utp.edu.co
Resumen— Se determinó y estudió experimentalmente la
conducta de circuito formado por transistores analizando las
gráficas, datos obtenidos y cálculos realizados. Lo anterior se
realizó teniendo en cuenta el marco teórico correspondiente a
materiales semiconductores, diodos y transistores. Realizando los
montajes de circuito, el primero con un transistor BJT NPN
P2N2222, 4 resistencias y una fuente de voltaje, y el segundo con
el mismo transistor, 6 resistencias, un condensador y la fuente de
voltaje. En ambos circuitos se varía una de las resistencias para
ver cómo se comporta el transistor al momento de cambiar la
resistencia presente, realizaremos esto en los dos circuitos
presentes en la guía para así poder recopilar datos de este
comportamiento y proporcionar un análisis correcto con respecto
al fenómeno evidenciado.
Abstract— The behavior of the circuit formed by transistors was
determined and experimentally studied by analyzing the graphs,
data obtained and calculations made. This was done taking into
account the theoretical framework corresponding to
semiconductor materials, diodes and transistors. Making the
circuit assemblies, the first with a P2N2222 NPN BJT transistor,
4 resistors and a voltage source, and the second with the same
transistor, 6 resistors, a capacitor and the voltage source. In both
circuits one of the resistances is varied to see how the transistor
behaves when changing the resistance present, we will do this in
the two circuits present in the guide in order to collect data on
this behavior and provide a correct analysis with respect to the
phenomenon evidenced.
Palabras clave — Condensador, Resistencia, Transistor, Voltaje.
I. INTRODUCCIÓN
Un transistor es un componente electrónico en miniatura que
puede realizar dos trabajos diferentes. Puede funcionar como
amplificador o como interruptor:
Cuando funciona como amplificador , toma una pequeña
corriente eléctrica en un extremo (una corriente de entrada) y
produce una corriente eléctrica mucho mayor (una corriente
de salida) en el otro.
Los transistores también pueden funcionar como interruptores.
Una pequeña corriente eléctrica que fluye a través de una
parte de un transistor puede hacer que una corriente mucho
mayor fluya a través de otra parte de él. En otras palabras, la
pequeña corriente cambia a la más grande. Básicamente, así es
como funcionan todos los chips de computadora.
Los transistores están hechos de silicio, un elemento químico
que se encuentra en la arena, que normalmente no conduce
electricidad (no permite que los electrones fluyan fácilmente a
través de él). El silicio es un semiconductor , lo que significa
que no es realmente un conductor (algo como un metal que
deja fluir la electricidad) ni un aislante (algo como el plástico
que detiene el flujo de electricidad).
Si tratamos el silicio con impurezas (proceso conocido como
dopaje ), podemos hacer que se comporte de otra manera. Si
dopamos silicio con los elementos químicos arsénico, fósforo
o antimonio, el silicio gana algunos electrones "libres"
adicionales, que pueden transportar una corriente eléctrica, por
lo que los electrones fluirán hacia afuera de forma más
natural.
Debido a que los electrones tienen carga negativa, el silicio
tratado de esta manera se llama tipo n (tipo negativo).
También podemos dopar el silicio con otras impurezas como
boro, galio y aluminio. El silicio tratado de esta manera tiene
menos de esos electrones "libres", por lo que los electrones de
los materiales cercanos tenderán a fluir hacia él. A este tipo de
silicio lo llamamos tipo p (tipo positivo).
Los transistores operan sobre un flujo de corriente,
operando como amplificadores (recibiendo una señal débil y
generando una fuerte) o como interruptores (recibiendo una
señal y cortándole el paso) de la misma. Esto ocurre
dependiendo de cuál de las tres posiciones ocupe un transistor
en un determinado momento, y que son:
● En activa. Se permite el paso de un nivel de
corriente variable (más o menos corriente).
● En corte. No deja pasar la corriente eléctrica.
● En saturación. Deja pasar todo el caudal de la
corriente eléctrica (corriente máxima).
2
Scientia et Technica Año XVI. Septiembre de 2021. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701
En este sentido, el transistor funciona como una llave de
paso de una tubería: si está totalmente abierto deja entrar todo
el caudal del agua, si está cerrado no deja pasar nada, y en sus
posiciones intermedias deja pasar más o menos agua.
Ahora bien: todo transistor se compone de tres elementos:
base, colector y emisor. La primera es la que media entre el
emisor (por donde entra el caudal de corriente) y el colector
(por donde sale el caudal de corriente). Y lo hace, a su vez,
activada por una corriente eléctrica menor, distinta de la
modulada por el transistor.
De esta manera, si la base no recibe corriente, el transistor se
ubica en posición de corte; si recibe una corriente intermedia,
la base abrirá el flujo en determinada cantidad; y si la base
recibe la suficiente corriente, entonces se abrirá del todo el
dique y pasará el total de la corriente modulada.
Se entiende así que el transistor opera como un modo de
controlar la cantidad de electricidad que pasa en
determinado momento, permitiendo así la construcción de
relaciones lógicas de interconexión.
Figura 1. Concepto Transistor.
II. CONTENIDO
Para la realización del laboratorio y práctica 9 de aplicación
del diodo se utilizan por parte de materiales, el equipo para
diodos que consta de: 1 transistor BJT NPN P2N2222, dos
resistencias de 47Ω, una de 180Ω, de 150Ω, 330Ω, dos de
820Ω, y una de 1kΩ, tres condensadores de 100𝝁F, un
generador de señales, un osciloscopio, una protoboard y
cables de conexión. No obstante, para la elaboración de este
laboratorio se implementó un simulador virtual diseñado para
representar los circuitos planteados tal como lo es MULTISIM
Live.
Una vez se cuenta con los materiales necesarios, se procede a
montar el circuito planteado en la figura 2:
Figura 2. Transistor polarizado por división de tensión.
Utilizando el simulador de MULTISIM se midieron las
respectivas corrientes de la base, emisor y colector. También
la tensión que hay entre la base y el emisor, la base y el
colector y el colector y el emisor. Ya con esto se modifica el
valor de la resistencia 2 y se repite el proceso con cada
resistencia.
Igualmente se construye el circuito de la figura 3 que
corresponde a un amplificador de señales construye a partir de
una configuración de un transistor BJT
3
J. Sci. Eng. Phys.- Año I, No 1, Diciembre de 2013. Universidad Tecnológica de Pereira – Sociedad Colombiana de Ingeniería Física
Figura 3. Amplificador de señales.
Con esto se puede obtener las curvas que entrega el mismo
simulador, luego, para obtener la ganancia 𝜷, se miden las
amplitudes, fases y frecuencias de las señales de entrada y
salida.
𝑅2 𝐼
𝐵
𝐼
𝐶
𝐼
𝐸
𝑉
𝐵𝐸
𝑉
𝐵𝐶
𝑉
𝐶𝐸
0.82 38.304
µ
3.8304
m
3.8687
m
0.8089
4
-7.355
7
8.162
7
0.33 147.03
n
14.705
µ
14.852
µ
0.6650
7
-11.32 11.98
5
2.20 236.03
µ
11.837
m
12.073
m
0.8386
2
0.7183
5
0.120
28
Tabla 1. Corrientes y voltajes con diferentes R2.
Ahora, usando las ecuaciones:
𝐼
𝑅1
= 𝐼
𝑅2
= (𝑉
𝐶𝐶
)/(𝑅
1
+ 𝑅
2
)
𝐼𝐵 = 𝐼𝑅1 − 𝐼𝑅2≅ 0
𝐼𝐶 = 𝐼𝐸 − 𝐼𝐵 ≅ 𝐼𝐸
𝐼
𝐸
= (𝑉
𝐸
)/(𝑅
𝐸)
)
𝑉𝐵 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝑅1𝑅1
𝑉𝐵𝐸 = 𝑉𝐵 − 𝑉𝐸 ≅ 0.7 𝑉
𝑉𝐵𝐶 = 𝑉𝐵 − 𝑉𝐶 = (𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝑅1𝑅1) − (𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶𝑅𝐶)
𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶 − 𝑉𝐸 = (𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶𝑅𝐶) − (𝐼𝐸𝑅𝐸)
Se puede calcular analíticamente.
Para una resistencia de 330Ω:
𝐼𝑅1 = 2.0236 𝑚A
𝐼𝑅2 = 2.0235 𝑚A
𝐼𝐵= 𝐼𝑅1 − 𝐼𝑅2 = (2.0236 𝑚𝐴)− (2.0235 𝑚𝐴) = = 0.0001 𝑚A
𝑉𝐸 = 𝑉𝐵 − 𝑉𝐵𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝑅1𝑅1 − 𝑉𝐵𝐸
𝑉𝐸 = (12 𝑉) − (2.0236 𝑚𝐴)(5.6 𝑘Ω) − (0.7 𝑉) = −0.0322 𝑉
𝐼𝐸 = = −0.1780 𝑚𝐴𝑉
𝐸
/𝑅
𝐸
𝐼𝐶 = 𝐼𝐸 − 𝐼𝐵 = −0.1781 𝑚𝐴
𝑉𝐵𝐶 = −(2.0236 𝑚𝐴)(5.6 𝑘Ω) + (−0.1781 𝑚𝐴)(0.82 𝑘Ω)
𝑉𝐵𝐶 = −11.4782 𝑉
𝑉𝐶𝐸 = (12 𝑉 − (−0.1781 𝑚𝐴)(0.82 𝑘Ω)) −
((−0.1780𝑚𝐴)(0.18𝑘Ω)) = 12.1781 𝑉
Para una resistencia de 2.2kΩ:
𝐼𝑅1 = 1.605 𝑚𝐴
𝐼𝑅2 = 1.369 𝑚𝐴
𝐼𝐵 = 𝐼𝑅1 − 𝐼𝑅2 = (1.605 𝑚𝐴) − (1.369 𝑚𝐴) = 0.236 𝑚𝐴
𝑉𝐸 = (12 𝑉) − (1.605 𝑚𝐴)(5.6 𝑘Ω) − (0.7 𝑉) = 2.312 𝑉
𝐼𝐸 = = 12.84 𝑚𝐴𝑉
𝐸
/𝑅
𝐸
𝑉𝐵𝐶 = −(1.605 𝑚𝐴)(5.6 𝑘Ω) + (12.604 𝑚𝐴)(0.82 𝑘Ω)
𝑉𝐵𝐶 = 1.3473 𝑉
4
Scientia et Technica Año XVI. Septiembre de 2021. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701
𝑉𝐶𝐸 = (12 𝑉 − (12.604 𝑚𝐴)(0.82 𝑘Ω)) − ((12.84 𝑚𝐴)(0.18 𝑘Ω))
= −0.6465 𝑉
Para una resistencia de 820Ω:
𝐼𝑅1 = 1.8741 𝑚𝐴
𝐼𝑅2 = 1.8357 𝑚𝐴
𝐼𝐵 = 𝐼𝑅1 − 𝐼𝑅2 = (1.8741 𝑚𝐴) − (1.8357 𝑚𝐴) = 0.0384 𝑚𝐴
𝑉𝐸 = (12 𝑉) − (1.8741 𝑚𝐴)(5.6 𝑘Ω) − (0.7 𝑉) = 0.805 𝑉
𝐼𝐸 = = 4.472 𝑚𝐴𝑉
𝐸
/𝑅
𝐸
𝐼𝐶 = 𝐼𝐸 − 𝐼𝐵 = 4.4336 𝑚𝐴
𝑉𝐵𝐶 = −(1.8741 𝑚𝐴)(5.6 𝑘Ω) + (4.4336 𝑚𝐴)(0.82 𝑘Ω)
𝑉𝐵𝐶 = −6.8594 𝑉
𝑉𝐶𝐸 = (12 𝑉 − (4.4336 𝑚𝐴)(0.82 𝑘Ω)) − ((4.472 𝑚𝐴)(0.18 𝑘Ω))
= 7.5595 𝑉
𝑅2 𝐼
𝐵
𝐼
𝐶
𝐼
𝐸
𝑉
𝐵𝐸
𝑉
𝐵𝐶
𝑉
𝐶𝐸
0.82 38.4µ 4.4336
m
4.472
m
0.7 -6.859
4
7.559
5
0.33 100n -178.1
µ
-178µ 0.7 -11.47
82
12.17
81
2.20 236 µ 12.604
m
12.84
m
0.7 1.3473 -0.646
5
Tabla 2. Corrientes y voltajes mediante cálculo teórico.
Apoyándose del simulador, se obtienen los voltajes máx y mín
de la señal, así se sabe que son 1,1459 y 1,2332 Voltios. Sin
embargo, la amplitud de la señal de salida se obtiene mediante
la forma:
𝑉 = (1. 1459 − (− 1. 2322))/2 = 1. 1896𝑉
Para la frecuencia de la señal, se infiere que esta será la igual a
la señal de entrada, pero también se anota que esta empieza
desde cero a la parte negativa del eje, por lo que se puede
concluir que tiene un desfase de 𝛑.
Análisis
Cálculo de los errores para cada resistencia:
Para una resistencia de 820 Ohms:
𝐸
𝐼𝐵
= (38. 304 − 38. 4)/38. 304| | * 100 = 0. 25% 
𝐸
𝐼𝐶
= (3. 8304 − 4. 4336)/3. 8304| | * 100 = 15. 74% 
𝐸
𝐼𝐸
= ( 3. 8687 − 4. 472)/3. 8687| | * 100 = 15. 59% 
𝐸
𝑉
𝐵𝐸
= ( 0. 80894 − 0. 7)/ 0. 80894| | * 100 = 13. 46% 
𝐸
𝑉
𝐵𝐶
= (− 7. 3537 + 6. 8594)/ − 7. 3537| | * 100 = 6. 72% 
𝐸
𝑉
𝐵𝐸
= (| 38. 304 − 38. 4)/ 38. 304| | * 100 = 7. 39% 
Para una resistencia de 330 Ohms:
𝐸
𝐼𝐵
= (147. 03 − 100)/147. 03| | * 100 = 31. 98% 
𝐸
𝐼𝐶
= (14. 705 + 178. 1 − 4. 4336)/14. 705| | * 100 = 1311. 15% 
𝐸
𝐼𝐸
= ( 14. 852 − 178)/14. 852| | * 100 = = 1098. 49% 
𝐸
𝑉
𝐵𝐸
= ( 0. 66507 − 0. 7)/0. 66507| | * 100 = 5. 25% 
𝐸
𝑉
𝐵𝐶
= (− 11. 32 + 11. 4782)/ − 11. 32| | * 100 = 1. 39% 
𝐸
𝑉
𝐵𝐸
= (11. 985 − 12. 1781)/ 11. 985| | * 100 = 1. 61% 
Para una resistencia de 2.2kOhms:
0.01%𝐸
𝐼𝐵
= (236. 03 − 236)/236. 03| | * 100 = 
𝐸
𝐼𝐶
= (11. 837 − 12. 604)/11. 837| | * 100 = 6. 48% 
𝐸
𝐼𝐸
= ( 12. 073 − 12. 84)/12. 073 | | * 100 = = 6. 35% 
𝐸
𝑉
𝐵𝐸
= ( 0. 83862 − 0. 7)/0. 83862| | * 100 = 16. 52% 
5
J. Sci. Eng. Phys.- Año I, No 1, Diciembre de 2013. Universidad Tecnológica de Pereira – Sociedad Colombiana de Ingeniería Física
𝐸
𝑉
𝐵𝐶
= (0. 71835 − 1. 3473)/ 0. 71835| | * 100 = 87. 55%
𝐸
𝑉
𝐵𝐸
= (0. 12028 + 0. 6465)/ 0. 12028| | * 100 = 637. 49%
2.
Lo que se evidenció fue que a medida en que se alteraba la
resistencia en su valor, la corriente varía a su vez que lo
hacían las corrientes tanto del emisor como del colector.
Además, se observó la variación del potencial base -
colector, y colector - emisor. Sin embargo el
comportamiento de la base - emisor fue diferente,
mostrando un potencial de alrededor de los 0.7 Volts.
3-
El cálculo de la ganancia 𝜷 se puede determinar por medio de
la división entre el voltaje de salida y el voltaje de la entrada.
𝜷 = ((𝑉
𝑃𝑠𝑎𝑙𝑖𝑑𝑎
)/(𝑉
𝑃𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑑𝑎
)) *− 1 =− (1. 1896)/0. 150
𝜷 =− 7. 93
Debido al desfase anteriormente mencionado, este puede verse
de tal modo en que la ganancia se acompaña de un signo
negativo.
Por definición entonces, se puede decir que el voltaje de salida
es aproximadamente -7.93 veces el voltaje de entrada.
Preinforme.
• La polarización por divisor de voltaje es la
polarización más estable respecto al punto de trabajo Q. Se
puede usar en todas las configuraciones del transistor bjt,
emisor común, base común, y colector común. Las ecuaciones
básicas son las siguientes:
• Los amplificadores son circuitos que se utilizan para
aumentar el valor de la señal de entrada generalmente muy
pequeña y así obtener una señal a la salida con una amplitud
mucho mayor a la señal original.
Un caso muy común de amplificador es el que usa transistores
bipolares, amplificadores operacionales, tubos o válvulas
electrónicas, FETs, etc.
Algunas veces la amplificación puede causar que la señal a la
salida del amplificador salga distorsionada causada por una
amplificación muy grande o por efectos propios del
amplificador.
• Montaje en Base Común: La señal se inyecta al
emisor a través de Ci y se extrae amplificada por el colector
vía Co. La base, conectada dinámicamente a tierra a través de
Cb, actúa como elemento común a los circuitos de entrada y
de salida. Las señales de entrada y de salida siempre están en
fase. Los condensadores Ci y Co actúan como condensadores
de paso o de acoplamiento. Su objetivo es eliminar el nivel de
corriente continua presente a la entrada o a la salida y
transferir sólo las señales de audio propiamente dichas. El
condensador Cb actúa como condensador de deriva (bypass).
Su objetivo es mantener estable el voltaje de polarización de
la base, enviando a tierra cualquier variación. Las resistencias
RB1, RB2, RC y RE polarizan correctamente las uniones del
transistor y fijan el punto de trabajo del amplificador.
Montaje en Emisor Común: La señal se inyecta a la base a
través de Ci y se recibe amplificada del colector vía con el
emisor, conectado dinámicamente a tierra a través de ce, actúa
como elemento común a los circuitos de entrada y de salida.
Observe que en este modo de conexión, las señales de entrada
y de salida siempre están en oposición de fase. Nuevamente,
Ci y Co actúan como condensadores de acoplamiento y ce
como condensador de deriva. Las resistencias RB1, RB2, RC
y RE polarizan adecuadamente el transistor y fijan su punto de
trabajo. Note que este circuito, como el anterior, utiliza la
estrategia de polarización universal o por divisor de voltaje.
La impedancia de entrada de este montaje es del orden de 20
W a 5 kW. y la impedancia de salida del orden de 50 W a 50
kOhm,. El circuito proporciona simultáneamente ganancia de
corriente y de voltaje. La ganancia de potencia puede llegar a
ser relativamente alta, del orden de 10.000. Típicamente, la
ganancia de corriente es del orden de 50.
Montaje en Colector Común: La señal se introduce por la base
a través de Ci y se extrae por el emisor vía con El colector,
conectado dinámicamente a tierra a través de Ce, actúa como
elemento común a los circuitos de entrada y de salida. Las
señales de entrada y de salida siempre están en fase. El
montaje se denomina también seguidor de emisor. El
amplificador colector común se caracteriza por tener una alta
impedancia de entrada y una baja impedancia de salida. La
ganancia de voltaje es siempre menor que 1 y la de potencia es
normalmente inferior a la que se obtiene con las
configuraciones base común o emisor común. Este montaje se
utiliza principalmente como adaptador de impedancias.
• Montaje como Amplificador Diferencial: Una
variación importante de los tres tipos fundamentales de
amplificadores discutidos anteriormente es el amplificador
diferencial. En este caso, el voltaje de salida es proporcional a
la diferencia, con respecto a tierra, entre los voltajes aplicadosa los terminales de entrada. En la figura 5, por ejemplo, se
muestra un amplificador diferencial clásico con entradas y
salidas balanceadas.
6
Scientia et Technica Año XVI. Septiembre de 2021. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701
CONCLUSIÓN
Después de haber montado y probado los dos circuitos,
haciéndolos tanto en el multisim en línea como en NI que es el
programa más completo de multisim, pudimos notar que tanto
la corriente y el voltaje de la base afectan las corrientes y
voltajes de colector y emisor. También que la corriente de la
base es muy cercana al valor de la diferencia entre las
corrientes del colector y el emisor. Además, la diferencia de
potencial base – emisor se comporta parecido a la caída de
voltaje en un diodo. Por último, se puede concluir también que
un transistor BJT puede utilizarse como un amplificador, pero
entregando un voltaje negativo.
REFERENCIAS
[1] Práctica 9: Transistores. Jenniffer Bustamante Mejía.
https://media.utp.edu.co/ingenieria-fisica/archivos/Practic
a_9Gen.pdf
[Consulta: martes 7 de diciembre de 2021].
[2] Transistor types, structure (pnp transistor & npn
transistor). online-sciences.
https://www.online-sciences.com/physics/transistors-type
s-structure-pnp-transistor-npn-transistor/
[Consulta: martes 7 de diciembre de 2021].
[3] Taller Semiconductores. Juan Camilo Aguirre Bonilla,
Esteban Escalante Córdoba, Eric Hernández Acosta.
https://drive.google.com/file/d/1x-bGnTL5yyBC1belckm
WN2lkzdHWjxU7/view
[Consulta: martes 7 de diciembre de 2021].
[4] Transistores. Chris Woodford.
https://www.explainthatstuff.com/howtransistorswork.htm
l
[Consulta: martes 7 de diciembre de 2021].
https://media.utp.edu.co/ingenieria-fisica/archivos/Practica_9Gen.pdf
https://media.utp.edu.co/ingenieria-fisica/archivos/Practica_9Gen.pdf
https://www.online-sciences.com/physics/transistors-types-structure-pnp-transistor-npn-transistor/
https://www.online-sciences.com/physics/transistors-types-structure-pnp-transistor-npn-transistor/
https://drive.google.com/file/d/1x-bGnTL5yyBC1belckmWN2lkzdHWjxU7/view
https://drive.google.com/file/d/1x-bGnTL5yyBC1belckmWN2lkzdHWjxU7/view
https://www.explainthatstuff.com/howtransistorswork.html
https://www.explainthatstuff.com/howtransistorswork.html