Informe_5

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PRÁCTICA # 5
TRANSISTOR COMO SWITCHE.
GRUPO: 1
L 10-12
PROFESOR:
EDGAR ALBERTO BETANCUR CATAÑO
UNIVERSIDAD DE ANTIOQUIA
FACULTAD DE INGENIERÍA
DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA
LABORATORIO DE CIRCUITOS ELECTRÓNICOS
MEDELLÍN
2020
INTRODUCCIÓN
El transistor es un elemento fundamental en los circuitos electrónicos, por este motivo se hace indispensable saber manejarlo ya que este según el tipo de circuito que se desea construir puede cumplir diferentes aplicaciones como lo son la de amplificación, oscilación, rectificación o como switche. En este laboratorio se montarán varios circuitos con el fin de aprender a utilizar este elemento como switche.
Objetivo General.
· Implementar circuitos con el transistor en su región de corte y saturación para utilizarlo como interruptor o switche estado sólido.
Objetivos Específicos.
· Implementar un circuito de control digital del transistor, que encienda o apague un LED.
· Diseñar un circuito que active y desactive una bombilla incandescente (110 V) mediante un relé controlado por un transistor.
Montajes
· Montaje 1 
Control de LED mediante transistor NPN
Asuma la corriente por R2 de 1 mA y la corriente por el LED (cuando el transistor está saturado) de 20 mA.
· Coloque inicialmente una onda cuadrada en la base del transistor de 0 a 5V y observe la forma de onda de salida (Colector).
· Cambie la frecuencia de muy baja (1 Hz) a alta (100 Hz).
· Cambie el generador a una onda sinodal y observe la señal a la salida. 
En los dos casos compare la fase de la señal de entrada y de salida, concluya.
Fig. 1. Montaje 1.
Cálculos de las resistencias 
Fig. 2. Montaje 1 en Proteus.
Onda cuadrada de 5 V y f = 1 Hz:
Fig. 3. Estado alto de la señal y LED apagado con f = 1 Hz.
Al aplicarle una onda cuadrada a la base del transistor, se van a tener dos estados de la señal que entran al transistor: un estado alto y uno bajo. En el estado alto, la corriente que entra por la base circula por el emisor del transistor ya que el diodo led queda polarizado en inversa y por tanto no conduce como se muestra en la figura 3. Cuando la señal que entra por la base del transistor está en su estado bajo o negativo, la corriente circula por todo el circuito encendiendo el led, como se muestra en la figura 4. 
Fig. 4. Estado bajo de la señal y LED encendido con f = 1 Hz.
Onda cuadrada de 5 V y f = 100 Hz:
Conectando la misma señal a la base del transistor, pero con una frecuencia más elevada, se va a obtener los mismos resultados en cuanto al modelo gráfico de las señales, pero no se va a percibir el encendido (figura 5) o el apagado (figura 6) del led.
Fig. 5. Señal de salida a frecuencia de 100 Hz.
Fig. 6. Tiempo para cada ciclo de la señal a 100 Hz.
Onda sinusoidal 1 Hz:
Aplicamos una onda sinusoidal a la entrada del transistor y observamos un pequeño cambio en la forma de onda de salida. Esta señal de salida se distorsiona un poco debido a las caídas de tensión de la resistencia y del led (Fig.7).
Fig. 7.
Onda sinusoidal y f = 100 Hz:
En las figuras 8 y 9 se muestran las gráficas correspondientes al montaje 1 con una señal sinusoidal a la entrada del transistor a una frecuencia de 100 Hz. En este caso tampoco se alcanza a observar el parpadeo del led ya que la señal de entrada es muy rápida. 
Fig. 8.
Fig. 9.
Comparación de señales
Las señales están en contrafase ya que el transistor conduce en el estado bajo de la señal de entrada por la forma en la que está conectado el led con el transistor (figura 10). 
Fig. 10.
Comparando la señal sinusoidal de entrada con la de salida se observan en la figura 11 tres cosas a simple vista. Una es que la señal de entrada tiene sus semiciclos simétricos mientras que la señal de salida tiene el estado bajo un poco más estrecho en comparación con el estado alto, esto es debido a que en el estado alto no conduce el circuito y por tanto la señal alta es “limpia” y la señal en el estado bajo es afectada por el comportamiento de los elementos conectados al colector del transistor. Lo otro que se nota es que en el estado en el que el circuito completo conduce, la señal de salida se ve afectada por las caídas de tensión de la resistencia 1 y la del led, por tanto, tiene menor amplitud en el estado bajo con respecto a la señal de entrada, y por último, se tiene la contrafase de las dos señales debido a los estados de suicheo del transistor.
Fig. 11.
· Montaje 2
Control de LED mediante transistor PNP
Fig. 12. Montaje 2.
Asuma la corriente por R2 como 1 mA y la corriente por el LED (cuando el transistor está saturado), de 20 mA.
· Coloque inicialmente una onda cuadrada en la base del transistor de o a 5V y observe la forma de onda en la salida (Colector). Cambie la frecuencia de muy baja (1Hz) a alta (100Hz). 
· Cambie el generador a una onda sinodal y observe la señal a la salida. 
· En los dos casos compare la fase de la señal de entrada y salida, concluya. 
Fig. 13. Montaje 2 en Proteus.
Al colocar una señal cuadrada de 5 V a 1 Hz tenemos el siguiente resultado:
Fig. 14. Montaje 2 con señal cuadrada de 5 V a 1Hz.
En la figura trece encontramos dos señales, la señal amarilla corresponde a la señal cuadrada del generador que tiene un voltaje pico de 2.50 V y la señal verde es la señal que encontramos en el colector la cual tiene un voltaje máximo de 3.2 V y uno mínimo de 2.3 V, este cambio produce que el led prenda y apague en tiempos iguales.
Si variamos la frecuencia de la señal a 100 Hz 
Fig. 15. Montaje 2 con señal cuadrada de 5 V a 100 Hz.
Al variar la frecuencia de la señal, podemos observar que no hay cambios en las amplitudes de la señal del generador ni en la señal del colector, pero al ser la frecuencia más alta en el programa no podemos diferenciar el momento de encendido ni apagado del led.
Al cambiar la señal del generador por una señal sinusoidal con la misma frecuencia de 1 Hz y la misma amplitud de la señal cuadrada obtenemos el siguiente resultado:
Fig. 16. Montaje 2 con señal sinusoidal de 5 V a 1 Hz.
Podemos observar que igual que en el caso anterior las amplitudes de los voltajes de la señal amarilla (generador) y de la señal verde (colector) se mantienen iguales, además de esto en el circuito se puede notar el prendido y apagado del led, lo cual no sucede al cambiar la frecuencia de la señal del generador de 1 a 100 Hz.
Comparación de las señales del colector y el generador
Si superponemos las dos señales, podemos observar que estas se encuentran en fase una con respecto a la otra tanto cuando son sinusoidales y cuando son cuadradas, en el caso sinusoidal también observamos que en el colector en el ciclo positivo se alcanza el voltaje pico de una manera más brusca que en el ciclo negativo. 
Fig. 17. Montaje 2 comparación de señales cuadradas generador y colector.
Fig. 18. Montaje 2 comparación de señales sinusoidales generador y colector.
· Montaje 3
Fig. 19. Montaje 3.
Control de 2 LED mediante transistor NPN (utilice LED de diferente color).
· Aplique a la base señales cuadrada se 0 a 5 V y seno del generador de señales. ¿Qué pasa en cada caso?, explique y analice.
· Cuando los LED están encendidos, ¿el voltaje en sus terminales es el mismo independientemente de su color?, Explique.
Siguiendo los mismos parámetros para R1 y R2 que obtuvimos en los dos casos anteriores se monta el circuito en Proteus de acuerdo con el esquemático presentado en la figura 19.
Fig. 20. Montaje 3 en Proteus.
Al aplicar una señal cuadrada o una señal sinusoidal de 5 V a 1 Hz al circuito de la figura 20 se observa que los leds prenden asincrónicamente, es decir que cuando el led D1 se encuentra encendido, el led D2 se encuentra apagado, y así sucesivamente, de igual forma se tiene en cuenta que la velocidad de encendido de los leds está relacionada con la frecuencia con la cual trabaja el generador de señales, además de lo anterior el voltaje de los dos leds es diferente, ya que uno de ellos se encuentra en paralelo con el transistor y el otro se encuentra en serie con estey la fuente de voltaje de 5 V.
Fig. 21. Montaje 3 medición del voltaje.
· Montaje 4
Control de 2 transistores.
· Aplique a la base las señales cuadrada de 0 a 5 V y seno del generador, ¿Qué pasa en cada caso?. Analice y explique. 
· Cuando los LED están encendidos ¿el voltaje en sus terminales es el mismo independiente del color? Explique.
Fig. 22. Montaje 4.
En la figura 22 se ve el diagrama del circuito que se simuló en Proteus (figura 23), al que en una primera simulación se le aplicó una señal de entrada cuadrada con un pico de 5 V. Posteriormente se hizo el mismo montaje, pero la señal de entrada fue de tipo sinusoidal.
Fig. 23. Montaje 4 en con señal de entrada cuadrada.
Como se van a tener dos transistores, para cada estado de la señal cuadrada, vamos a tener un transistor que quede en saturación y por ende el led asociado a ese transistor encenderá (Figuras 24 y 25). La tensión de los diodos led cuando éstos están encendidos es casi la misma ya que están conectados en paralelo, pero hay una pequeña caída de tensión correspondiente a la resistencia de colector y una disminución en la corriente producto de las corrientes de base- emisor y de colector- emisor que están presentes en los transistores en la región de saturación.
Fig. 24. Led rojo encendido.
Fig. 25. Led verde encendido.
Las señales que nos muestra el osciloscopio (figura 26) corresponden a las de entrada (línea amarilla) y de salida (líneas azul y magenta) del circuito. Cabe destacar que las señales de salida están en contrafase con la de entrada y que la amplitud de las señales de salida es prácticamente la mitad de la de entrada.
Fig. 26. Señales de entrada y de salida vistas en el osciloscopio.
En la figura 27 se tiene el montaje del circuito, pero con la señal de entrada de forma sinusoidal con una amplitud pico de 5 V.
Fig. 27. Montaje 4 con señal de entrada sinusoidal.
Como se aprecia en la figura 28, la forma de onda de la señal de entrada es sinusoidal y las de salida son cuadradas ya que en cada ciclo se tiene un estado en el que los transistores no conducen y el circuito está abierto. Por tanto, en cada ciclo de la señal, cada transistor se va a comportar como un siuche que se abre y cierra dependiendo de los niveles de voltaje y corriente que actúen sobre cada uno, teniendo así, una intermitencia entre los dos leds que están conectados cada uno al colector de un transistor.
La tensión en cada led cuando está encendido también es prácticamente la misma que es la necesaria para que funcione. Este parámetro se fijó en el simulador y es de 2 V con una corriente mínima de 20 mA. 
Fig. 28. Señales de entrada y salida vistas en el osciloscopio.
Fig. 29. Led rojo encendido.
Fig. 30. Led verde encendido.
· Montaje 5
Fig. 31. Diagrama a simular
Carga inductiva Relé.
Aplique a la base señale cuadrada de 0 a 5V de baja frecuencia
(0.1,…., 5 Hz). Leer Voltaje entrada control digital y voltaje de colector
sin diodo D1(Volante) y con diodo. Asumir la resistencia de la bobina
de 390 Ohm. Analice y Explique.
· Sin diodo.
Fig. 32. Conexión sin diodo.
Fig. 33. Osciloscopio.
El circuito conectado con las características que se establecieron y con la resistencia de 4300 Ohmios, la entrada es una cuadrada con un valor entre los 0 y 5 V, y en colector tenemos una señal cuadrada entre 1 y 12 V, esto es para la conexión de la Fig. 32 característica porque no tiene el diodo. 
· Con diodo.
Fig. 34. Conexión con diodo.
Fig. 35. Conexión con diodo.
El circuito conectado con las características que se establecieron y con la resistencia de 4300 ohmios, la entrada es una cuadrada con un valor entre los 0 y 5v, y en colector tenemos una señal cuadrada entre 1 y 12V, esto es para la conexión de la Fig. 34 característica porque tiene el diodo.
En ambas conexiones el voltaje de entrada y salida conservaban sus dimensiones y forma cuadrada. Además, en ambos casos las señales de voltaje están despasada medio periodo.
· Montaje 6
Fig. 36. Esquemático del montaje.
Carga inductiva motor (pequeño de entre 5 V y 9 V). Asumir una corriente del motor de 150ma.Aplique a la base señales cuadradas y seno, variando la frecuencia. Analice y explique.
Fig. 37. Montaje de circuito en Proteus.
El motor se escoge de 8 V.
Cuando tenemos el motor ante una entrada cuadrada vs una sinodal, el motor va a tener el comportamiento de un motor paso a paso, y va a tener un mejor rendimiento cuando la señal es cuadrada ya que va a tener un mayor movimiento angular, con respecto a las frecuencias, cuando las frecuencias son bajas en cada movimiento del motor se va a tener recorrido mayor pero el tiempo que el motor se queda quieto va a ser mayor a medida que la frecuencia sea menor. 
Con respecto a las frecuencias altas, el motor va a tener un movimiento más cortos tanto de rotación del motor como no rotación, por ende, el comportamiento del motor es más continuo a medida que se aumenta la frecuencia. 
Conclusiones
· Al usar un transistor es importante tener en cuenta si es NPN o PNP, ya que como se observó en los montajes 1 y 2 la señal generada en el colector puede estar en contra fase o en fase con la señal aplicada a la base, además de ello se evidencia que en el transistor NPN al aplicar una señal sinusoidal en el colector la señal no guarda muchas similitud con la señal de entrada ya que tiende a parecerse más a una señal cuadrada, lo cual no pasa con el transistor PNP donde al simular las mismas condiciones se observa que la señal en el colector es más parecida a la señal sinusoidal aplicada en la base del transistor.
· Se debe tener muy en cuenta los parámetros de funcionamiento de cada transistor para saber si se está trabajando en zona de corte o de saturación ya que ello implica un comportamiento diferente en los transistores.
· Se puede obtener una conmutación a grandes frecuencias gracias a los transistores ya que no tienen los impedimentos mecánicos de otro tipo de elementos utilizados para este fin.
· Con los transistores se logra alternar una señal DC pura.
· La rotación del motor va a depender directamente de la frecuencia como de la señal, a mayor frecuencia la rotación es más continua.