laboratory practice with npn transistors 2n3904

LABORATORY PRACTICE WITH NPN TRANSISTORS 2N3904, FOR THEIR
USE AND APPLICATION®.
PRACTICA DE LABORATORIO CON TRANSISTORES NPN 2N3904, PARA SU
USO Y APLICACIÓN®
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Jeisson Saavedra, luis R Silva, Karen Lombana, Arnulfo Valero
Universitaria de investigación y desarrollo UDÍ
Asignatura Electrónica I, Escuela de ingeniería electrónica y telecomunicaciones,
1, 2, 3,4
Ingeniería electrónica, Barrancabermeja, Santander, Colombia.
Tel: 6202638-6222863, fax: 6200790
1
2
Jeisson20saavedra@gmail.com, luisrobertosilvafuentes@gmail.com,
3
Arnulfo.Valero@la.weatherford.com, 4karen-lombana@hotmail.com.
Abstract: This laboratory is performed after of prior knowledge acquired by the teachers. And in
this way put into practice our knowledge. As a first step we opt for the completion of the laboratory
with the transistor 2n9304 and then have to build the circuit that the professor made and in this
circuit will verify the data and corroborate the results theoretical-practical for our final conclusion.
This practice will be done with 4 circuits of different elements but with the same structure by dividing
them into two different laboratories for some specific topics.
Keywords: Transistor, Protoboard, resistors, NPN, PNP, Emitter, Base, Collector.
Resumen: este laboratorio se realiza luego del conocimiento previo de lo que consistía un
transistor para luego poner en práctica los conocimientos aplicados en clase. Como primera
medida se opta por la realización del laboratorio con el transistor 2n9304 y luego se arma el circuito
predicho por el profesor y de este circuito tomaremos los datos que nos corroboraran los
resultados teóricos y prácticos para nuestra conclusión final. Se arman 4 diseños diferentes en
cuanto a sus elementos que lo conforman pero de igual estructura. Estos se dividieron en dos
laboratorios diferentes para temas en concreto.
Palabras clave: transistor, Protoboard, resistencias, NPN, PNP, emisor, base, colector.
INTRODUCCION: la necesidad de ir
aprendiendo cada vez más en lo que la
electrónica nos ofrece hace que cada vez
mas estemos impulsados a experimentar
cosas nuevas y así enriquecernos con
conocimientos que son de gran utilidad para
las practicas ya sean en un proyecto sencillo
para satisfacción de nosotros o asta para
pensar en un proyecto de grado. Los
transistores son considerados como el mayor
invento del siglo XX ya que son estos los que
dieron origen a los demás integrados
existentes hoy en día es por ello que al igual
que los diodos estos también se les
consideran como lo esencial y básico de la
electrónica. Por esta razón y por su
necesidad de aprendizaje es que se llevan a
cabo este tipo de experimentos donde lo
único que se pretende demostrar es su
versatilidad de usos y aplicaciones y además
de su comportamiento interno.
cristal semiconductor, separados por una
región muy estrecha. De esta manera
quedan formadas tres regiones:



Emisor, que se diferencia de las
otras
dos
por
estar
fuertemente dopada, comportándose
como un metal. Su nombre se debe a
que
esta
terminal
funciona
como emisor de portadores de carga.
Base, la intermedia, muy estrecha,
que separa el emisor del colector.
Colector, de extensión mucho
mayor.
1. MARCO TEÓRICO:
TRANSISTOR BIPOLAR:
Es un dispositivo electrónico de estado
sólido consistente
en
dos uniones
PN muy cercanas entre sí, que permite
controlar el paso de la corriente a través
de sus terminales. La denominación de
bipolar se debe a que la conducción tiene
lugar gracias al desplazamiento de
portadores
de
dos
polaridades
(huecos positivos
y electrones negativos), y son de gran
utilidad en gran número de aplicaciones;
pero tienen ciertos inconvenientes, entre
ellos su impedancia de entrada bastante
baja.
Los transistores bipolares son los
transistores más conocidos y se usan
generalmente
en electrónica
analógica aunque también en algunas
aplicaciones de electrónica digital, como
la tecnología TTL o BICMOS.
Un transistor de unión bipolar está
formado por dos Uniones PN en un solo
Estructura del transistor
El transistor está formado por la unión de tres
capas de material semiconductor, de tipo P y
tipo N, dispuestas de forma alternada (en
forma de sándwich). Según la disposición de
estas capas, podemos tener dos tipos de
transistores:


Transistor PNP.
Transistor NPN.
Los más utilizados son los transistores NPN,
por lo que vamos a centrarnos en el estudio
de este tipo de dispositivos.
Cada una de las tres partes que constituyen
el transistor se conecta a un terminal
metálico que permitirá conectarlo a un
circuito. Todo el conjunto se recubre con un
encapsulado protector, que puede adoptar
diversas formas y estar fabricado de
materiales diversos (plástico, metal...). Por
tanto, el transistor es un dispositivo de tres
terminales, que reciben los nombres
de emisor, base y colector.
Podemos considerar el transistor constituido
por dos diodos:


Uno formado por la unión emisor-base.
Otro por la unión base-colector.
Esta peculiar estructura constituye la base
del funcionamiento del transistor, pues el
Por el transistor circulan un conjunto de
terminal de base controla el paso de corriente
corrientes eléctricas cuyas direcciones y
eléctrica entre el colector y el emisor.
sentidos, para un transistor NPN, son:



IB : intensidad de corriente de base.
IC: intensidad de corriente de colector.
IE: intensidad de corriente de emisor.
Se observa que las corrientes de base y de
colector entran en el transistor, mientras que
la corriente de emisor sale del dispositivo; en
Transistor
consecuencia, podemos establecer la
siguiente relación:
En el dibujo "Esquema de dos transistores..."
la flecha indica la dirección de la corriente
IE = IB + IC
que circula a través del emisor: en un
Si conocemos dos de las corrientes del
transistor NPN es saliente, mientras que en
transistor, la expresión anterior nos permitirá
un transistor PNP va en sentido contrario, es
calcular la tercera.
decir, hacia dentro del dispositivo y, por
consiguiente, la flecha se dibuja al revés.
Asimismo, entre los terminales del transistor
se generan las siguientes caídas de tensión:


VCE: tensión colector-emisor.
VBE: tensión base-emisor.
FUNCIONAMIENTO
hasta la región de baja concentración
cercana al colector. Estos electrones en la
base son llamados portadores minoritarios
debido a que la base está dopada con
material P, los cuales generan "huecos"
como portadores mayoritarios en la base.
Control de tensión, carga y corriente
La corriente colector-emisor puede ser vista
como controlada por la corriente base-emisor
(control de corriente), o por la tensión baseemisor (control de voltaje). Esto es debido a
la relación tensión-corriente de la unión baseemisor, la cual es la curva tensión-corriente
exponencial usual de una unión PN (es decir,
un diodo).
En una configuración normal, la unión
emisor-base se polariza en directa y la unión
base-colector en inversa. Debido a la
agitación térmica los portadores de carga del
emisor pueden atravesar la barrera de
potencial emisor-base y llegar a la base. A su
vez, prácticamente todos los portadores que
llegaron son impulsados por el campo
eléctrico que existe entre la base y el
colector.
Un transistor NPN puede ser considerado
como dos diodos con la región del ánodo
compartida. En una operación típica, la unión
base-emisor está polarizada en directa y la
unión base-colector está polarizada en
inversa. En un transistor NPN, por ejemplo,
cuando una tensión positiva es aplicada en la
unión base-emisor, el equilibrio entre los
portadores generados térmicamente y el
campo eléctrico repelente de la región
agotada se desbalancea, permitiendo a los
electrones excitados térmicamente inyectarse
en la región de la base. Estos electrones
"vagan" a través de la base, desde la región
de alta concentración cercana al emisor
En el diseño de circuitos analógicos, el
control de corriente es utilizado debido a que
es aproximadamente lineal. Esto significa
que
la
corriente
de
colector
es
aproximadamente β veces la corriente de la
base. Algunos circuitos pueden ser
diseñados asumiendo que la tensión baseemisor es aproximadamente constante, y que
la corriente de colector es β veces la
corriente de la base. No obstante, para
diseñar circuitos utilizando BJT con precisión
y confiabilidad, se requiere el uso de modelos
matemáticos del transistor como el modelo
Ebers-Moll.
El Alfa y Beta del transistor
Una forma de medir la eficiencia del BJT es a
través de la proporción de electrones
capaces de cruzar la base y alcanzar el
colector. El alto dopaje de la región del
emisor y el bajo dopaje de la región de la
base pueden causar que muchos más
electrones sean inyectados desde el emisor
hacia la base que huecos desde la base
hacia el emisor. La ganancia de corriente
emisor común está representada por
o
por hfe. Esto es aproximadamente la tasa de
corriente continua de colector a la corriente
continua de la base en la región activa
directa y es típicamente mayor a 100. Otro
parámetro importante es la ganancia de
corriente base común,
. La ganancia de
corriente base común es aproximadamente la
ganancia de corriente desde emisor a
colector en la región activa directa. Esta tasa
usualmente tiene un valor cercano a la
unidad; que oscila entre 0.98 y 0.998. El Alfa
y
Beta
están
más
precisamente
determinados por las siguientes relaciones
(para un transistor NPN):
TIPOS DE
BIPOLAR
TRANSISTOR
DE
UNION
NPN
NPN es uno de los dos tipos de transistores
bipolares, en los cuales las letras "N" y "P" se
refieren a los portadores de carga
mayoritarios dentro de las diferentes regiones
del transistor. La mayoría de los transistores
bipolares usados hoy en día son NPN,
debido a que la movilidad del electrón es
mayor que la movilidad de los "huecos" en
los semiconductores, permitiendo mayores
corrientes y velocidades de operación.
Los transistores NPN consisten en una capa
de material semiconductor dopado P (la
"base")
entre
dos
capas
de
material dopado N. Una pequeña corriente
ingresando a la base en configuración
emisor-común es amplificada en la salida del
colector.
La flecha en el símbolo del transistor NPN
está en la terminal del emisor y apunta en la
dirección
en
la
que
la corriente
convencional circula cuando el dispositivo
está en funcionamiento activo.
PNP
El otro tipo de transistor de unión bipolar es
el PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a
las cargas mayoritarias dentro de las
diferentes regiones del transistor. Pocos
transistores usados hoy en día son PNP,
debido a que el NPN brinda mucho mejor
desempeño en la mayoría de las
circunstancias.
Los transistores PNP consisten en una capa
de material semiconductor dopado N entre
dos capas de material dopado P. Los
transistores PNP son comúnmente operados
con el colector a masa y el emisor conectado
al terminal positivo de la fuente de
alimentación a través de una carga eléctrica
externa. Una pequeña corriente circulando
desde la base permite que una corriente
mucho mayor circule desde el emisor hacia el
colector.
La flecha en el transistor PNP está en el
terminal del emisor y apunta en la dirección
en la que la corriente convencional circula
cuando
el
dispositivo
funcionamiento activo.
REGION
OPERATIVA
TRANSISTOR

está
en
DEL
Región activa:
Corriente del emisor = (β + 1)·Ib ; corriente
del colector= β·Ib
Cuando un transistor no está ni en su
región de saturación ni en la región
de corte entonces está en una región
intermedia, la región activa. En esta
región la corriente de colector (Ic)
depende principalmente de la
corriente de base (Ib), de β (ganancia
de corriente, es un dato del
fabricante) y de las resistencias que
se encuentren conectadas en el
colector y emisor. Esta región es la
más importante si lo que se desea es
utilizar el transistor como un
amplificador de señal.

Región inversa:
Al invertir las condiciones de
polaridad del funcionamiento en
modo activo, el transistor bipolar
entra en funcionamiento en modo
inverso. En este modo, las regiones
del colector y emisor intercambian
roles. Debido a que la mayoría de los
BJT son diseñados para maximizar la
ganancia de corriente en modo
activo, el parámetro beta en modo
inverso es drásticamente menor al
presente en modo activo.

V1
V2
Q1
R1
R2
10V
10V
2N3904
1K
220Ω
2.2.1.
Circuito:
Región de corte: Un transistor
está en corte cuando:
Corriente de colector = corriente de
emisor = 0, (Ic = Ie = 0)
En este caso el voltaje entre el
colector y el emisor del transistor es
el voltaje de alimentación del circuito.
(Como no hay corriente circulando,
no hay caída de voltaje, ver Ley de
Ohm). Este caso normalmente se
presenta cuando la corriente de base
= 0 (Ib =0)
De forma simplificada, se puede
decir que el la unión CE se comporta
como un circuito abierto, ya que la
corriente que lo atraviesa es cero.
2.3. CONDICIONES Y PASOS:
•
•
•
•
•
Armar el circuito
Medir IB e IC
Hallar VCE
Hallar PD
Hallar Beta
Región de saturación: Un transistor
está saturado cuando:
Corriente de colector ≈ corriente de emisor =
corriente máxima, (Ic ≈ Ie = Imax).
2. PRIMER LABORATORIO
2.4. PROCEDIMIENTO:
2.1. Materiales:
Transistor 2N3904
Fuente variable
1 resistencia de 220Ω
1 resistencia de 1KΩ
Protoboard
Multimetro
2.2. CIRCUITO:
Elemento
Circuito
Una vez conocido el diseño del circuito que
se desea montar en la Protoboard, se
empieza a elaborar el circuito primero que
todo regular la fuente a los 10V
correspondientes y conectarse de forma
correcta en el circuito en la Protoboard. Con
lo anterior hemos extraído los siguientes
datos:
IB= 8.52mA
IC=39.8mA
β = IC/ IB
β = 39.8/ 8.52= 4.67
3.2.2. Segundo montaje:
VCE= VCC- IC*RC
VCE= 10- 39.8mA*220Ω=1.24V
PD= VCE*IC
PD= 1.24*39.8=49.352mW
3. SEGUNDO LABORATORIO:
3.1. Materiales:
2 transistores 2n3904
Resistencia de 1Mega
Resistencia 3K
Resistencia 470K
Potenciómetro de 10K
Protoboard
Fuente regulable
Multimetro
3.2. CIRCUITOS:
elemento
V1
V2
R1
R2
Q1
RV10K
er
1 montaje
10V
15V
470K
3K
2N3904
3.2.1. Primer montaje:
do
2 montaje
10V
15V
1M
2N3904
Potenciómetro
3.3. CONDICIONES Y PASOS:
3.3.1. Primer montaje:






Medir IB e IC
Hallar Beta
Medir VCE
Hallar y ubicar el punto Q
Grafica de la recta de carga
Repetir estos paso pero con 8V en
VCC
3.3.1. Segundo montaje:






Medir IB e IC
Hallar Beta
Medir VCE
Hallar y ubicar el punto Q
Grafica de la recta de carga
Repetir el procedimiento en 1K, 3K y
10K
3.4. Procedimiento:
VCE = 0.13V
Una vez obtenida la información acerca del
circuito que íbamos a montar se pone en
marcha su montaje regulamos las fuentes ya
que estas eran variables y se conecta el
circuito una vez esto se empieza a extraer los
datos para comenzar a desarrollar la
comparación entre lo teórico practico. En
cuanto al segundo montaje se hace lo mismo
pero a diferencia del primero en este se
regula la resistencia con el potenciómetro. De
acuerdo al procedimiento anterior se logra
obtener los siguientes parámetros:
3.4.1. Primer montaje:
IB = 20microAmperes
IC = 5miliAmperes
VCE = 0.19V
3.4.2. Segundo montaje:
3.4.2.1. Con 1K
IB = 9microAmperes
IC = 0.13miliAmperes
VCE = 56.6miliV
3.4.2.2. Con 3K
IB = 10microAmperes
IC = 3.04miliAmperes
VCE = 6V
3.4.1.1. Con 8V en VCC
IB = 4microAmperes
IC = 2.6miliAmperes
3.4.2.3. Con 10K
IB = 10microAmperes
IC = 0.45miliAmperes
VCE = 88miliVoltios
4.1.2. Primer montaje con 8V
IB= VBB—VBE / RB
IB= 10—0.7 / 470=19.78µA
4. CÁLCULOS:
4.1.1. Primer montaje:
IB= VBB—VBE / RB
IB= 10V-0.7V/470K=19, 78µA
IC= VCC-VCE/RC
IC= 8-0.19/3=2.66mA
IC= VCC-VCE/RC
IC=15V-0.19mV/3K=4.99mA
β = IC/ IB
β = 2.66/ 19.78=134.81
β = IC/ IB
β = 4.99/19.78=252.7
4.1.2.1. Punto Q
IC
4.1.1.2. Punto Q
IC
Punto Q
Punto (Q)
VCE
4.1.2.2. Recta de carga:
VCE= VCC- IC*RC
IC*RC=0
VCE= VCC
VCE= 8V
4.1.1.3. Recta de carga
VCE= VCC- IC*RC
IC*RC=0
VCE= VCC
VCE= 15V
IC= VCC -VCE
VCE =0
IC=15/3K=5mA
IC= VCC -VCE
VCE =0
IC=8/3K=2.66mA
IC
IC
5mA
VCC
VCE
4.2. Segundo montaje:
15V
IB= VBB—VBE / RB
IB= 10V-0.7V/1MΩ=9, 3µA
IC= VCC -VCE
VCE =0
IC=15V/1K=15mA
4.2.1. Con 1K
IC= VCC-VCE/RC
IC=15V-56.6mV/1K=14.94mA
4.4.2. Para 3K
IC= VCC -VCE
VCE =0
IC=15V/3K=5mA
4.4.3. Para 10K
IC= VCC -VCE
VCE =0
IC=15V/10K=1.5mA
β = IC/ IB
β = 14.94mA/9.3µA=1606.8
4.2.2. Con 3K
IC= VCC-VCE/RC
IC=15V-66mV/3K=4.97mA
IC
β = IC/ IB
β = 4.97mA/9.3µA=535.2
15mA
4.2.3. Con 10K
IC= VCC-VCE/RC
IC=15V-88mV/10K=1.49mA
5mA
β = IC/ IB
β = 1.49mA/9.3µA=160.3
1.5mA
4.3. Punto Q
VCE
15V
Punto Q 1K
5. CONCLUSIONES:
14.94mA
Punto Q 3K
4.97mA
1.49mA
Punto
56.6mV
66mV
4.4. Recta de carga:
VCE= VCC- IC*RC
IC*RC=0
VCE= VCC
VCE= 15V
4.4.1. Para 1K
88mV
5.1. Primer laboratorio:
Todos los experimentos nos permiten
comprobar si datos reales que podemos
deducir gracias a los conocimientos son
correctos, de aquí de este
Q exactamente
10K
proceso experimental deducimos: primero;
que todos los trabajos se pueden hacer de
forma ordenada y con precauciones para
obtener buenos resultados, segundo; cuando
comparamos
resultados
el
margen
experimental de error es muy poco, tercero;
que la corriente de emisor es muy débil
cuando la resistencia del emisor es menor en
comparación con la resistencia del colector,
cuarto; el voltaje emisor-colector puede ser
un poco mayor al teórico a un que no excede
en 1V.
5.2. Segundo laboratorio:
Para el segundo laboratorio podemos
concluir que; ya que este es a un más
complejo se requiere de mayor precisión en
cuanto a las medidas para no errar ningún
valor que nos altere el final. Además
deducimos que la corriente entre emisor y
colector son inversamente proporcionales
teniendo en cuenta las resistencias entre
ellas,
el
beta
puede
aumentar
considerablemente si las corrientes son
bastante desproporcionales, los valores en la
corriente de la base es considerablemente
pequeña usualmente son de µAmperios. La
grafica correcta se obtiene teniendo en
cuenta el Datasheet y la grafica obtenida
como resultado de hallar IC y VCE. La recta de
corte y el punto de corte los podemos
obtener gracias a conclusiones muy fáciles
teniendo en cuenta valores del mismo circuito
medidos con un multimetro sin mucho
análisis y las graficas que se obtienen son
muy practicas para saber el comportamiento
del transistor y en cuanto al punto Q este nos
permite conocer el rango de operación del
transistor así como su punto de saturación o
ruptura y además la corriente mínima para
activar el transistor.