Experimento 5 - Escuela de IngenierÃa Electrónica - Tecnológico de ...
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Instituto Tecnológico <strong>de</strong> Costa Rica<br />
<strong>Escuela</strong> <strong>de</strong> Ingeniería Electrónica<br />
Profesores: Ing. Sergio Morales, Ing. Pablo Alvarado, Ing. Eduardo Interiano<br />
Laboratorio <strong>de</strong> Elementos Activos<br />
II Semestre 2006<br />
I<br />
<strong>Experimento</strong> 5: Transistores BJT como interruptores: Multivibradores<br />
Objectivo General<br />
Al finalizar el experimento y su análisis, el estudiante estará en capacidad <strong>de</strong> explicar el funcionamiento<br />
<strong>de</strong> un transistor funcionando como interruptor en circuitos multivibradores.<br />
II<br />
Objetivos Específicos<br />
1. Explicar el comportamiento <strong>de</strong>l transistor como interruptor y analizar sus características<br />
en las regiones <strong>de</strong> corte y saturación.<br />
III<br />
2. Explicar el funcionamiento <strong>de</strong> circuitos multivibradores monoestables, biestables y astables<br />
con transistores BJT, y po<strong>de</strong>r modificarlos para a<strong>de</strong>cuarlos a especificaciones<br />
indicadas.<br />
Cuestionario Previo<br />
1. Busque las hojas <strong>de</strong> datos <strong>de</strong> los diodos y transistores utilizados en este laboratorio.<br />
Observe que la corriente nominal <strong>de</strong> los LED por usted utilizados <strong>de</strong>be conocerse para<br />
po<strong>de</strong>r dimensionar los circuitos utilizados en el laboratorio.<br />
2. Investigue el funcionamiento <strong>de</strong>l transistor como interruptor. ¿Qué significa que el<br />
transistor trabaje en su región <strong>de</strong> saturación? ¿Qué es la región <strong>de</strong> corte?<br />
3. En la región <strong>de</strong> saturación: ¿Qué valor típico se pue<strong>de</strong> esperar para la caída <strong>de</strong> tensión<br />
U BE entre la base y el emisor <strong>de</strong>l transistor? ¿Qué tensión U CE cae usualmente en este<br />
caso entre colector y emisor?<br />
4. En la región <strong>de</strong> corte: ¿Qué valor típico se pue<strong>de</strong> esperar para la caída <strong>de</strong> tensión U BE<br />
entre la base y el emisor <strong>de</strong>l transistor? ¿Cuál es la magnitud <strong>de</strong> las corrientes I C <strong>de</strong><br />
colector e I E <strong>de</strong> emisor?<br />
5. Investigue qué son circuitos multivibradores monoestables, astables y biestables. Analice<br />
el funcionamiento <strong>de</strong> los circuitos multivibradores basados en BJT a un nivel conceptual.<br />
6. Investigue cómo se pue<strong>de</strong> cambiar entre los estados estables <strong>de</strong>l multivibrador biestable<br />
mostrado en la figura 1.<br />
7. Simule el circuito <strong>de</strong> la figura 1 y produzca cambios <strong>de</strong> estado <strong>de</strong> acuerdo a sus resultados<br />
en el punto anterior. Mida y grafique las tensiones en las bases <strong>de</strong> los transistores, en<br />
sus colectores.<br />
1
U CC =5V<br />
R C1<br />
R C2<br />
R B2<br />
R B1<br />
U sal1<br />
U sal2<br />
Q 1 Q 2<br />
Figura 1: Circuito multivibrador biestable. R C1 = R C2 = 1 kΩ, R B1 = R B2 = 10 kΩ<br />
8. Investigue cómo tiene que ser la entrada <strong>de</strong> disparo para que el multivibrador monoestable<br />
<strong>de</strong> la figura 2 se active.<br />
U CC =5V<br />
R C1<br />
R B2<br />
R C2<br />
Q 1<br />
C<br />
R B1<br />
D 1 D 2<br />
Q 2<br />
U sal<br />
2 kΩ<br />
0,1 µF<br />
Figura 2: Circuito multivibrador monoestable. R C1 = R C2 = 1 kΩ, R B1 = R B2 = 10 kΩ<br />
9. Analice el circuito <strong>de</strong> la figura 2 y <strong>de</strong>muestre que la caída <strong>de</strong> tensión en la base <strong>de</strong>l<br />
transistor Q 2 está dada por la ecuación<br />
U B2 (t) = U CC + (U 0 − U CC )e −t/(R B 2 C)<br />
don<strong>de</strong> U 0 = U BEsat − U CC , y U BEsat es la tensión entre base y emisor <strong>de</strong>l diodo en<br />
saturación, y t = 0 es el instante <strong>de</strong> disparo.<br />
2<br />
(1)
10. Demuestre que el ancho <strong>de</strong>l pulso <strong>de</strong> salida está dado entonces por:<br />
( )<br />
U0 − U CC<br />
T = R B2 C ln<br />
U BEsat − U CC<br />
(2)<br />
11. Simule el circuito <strong>de</strong> la figura 2 y grafique la tensión <strong>de</strong> salida U sal , y la tensión en la<br />
base <strong>de</strong> Q 1 y Q 2 , y en el con<strong>de</strong>nsador C. En la simulación utilice para los disparos una<br />
señal cuadrada a diferentes frecuencias mayores y menores que 1/T.<br />
12. Analice el circuito <strong>de</strong> la figura 3 y <strong>de</strong>muestre que la caída <strong>de</strong> tensión a la salida U sal<br />
tiene una frecuencia aproximadamente igual a<br />
f = 1 T ≈ 1,3<br />
R B1 C 1 + R B2 C 2<br />
(3)<br />
don<strong>de</strong> la señal <strong>de</strong> salida U sal es aproximadamente U CC durante<br />
( )<br />
UCC − U 0<br />
t ON = R B2 C 2 ln<br />
U CC − U BEsat<br />
y es aproximadamente 0 V durante<br />
t OFF = R B1 C 1 ln<br />
( )<br />
UCC − U 0<br />
U CC − U BEsat<br />
U CC =5V<br />
R C1<br />
R B2<br />
R B1<br />
R C2<br />
C 2<br />
C 1<br />
Q 1<br />
Q 2<br />
U sal<br />
Figura 3: Circuito multivibrador astable. R C1 = R C2 = 1 kΩ, R B1 = R B2 = 10 kΩ<br />
13. Simule el circuito <strong>de</strong> la figura 3 y grafique la tensión <strong>de</strong> salida U sal , la tensión en la base<br />
<strong>de</strong> Q 1 y Q 2 , y la tensión en los con<strong>de</strong>nsadores.<br />
14. ¿Cómo <strong>de</strong>be modificarse el circuito <strong>de</strong> la figura 3 para:<br />
3
IV<br />
14.1. duplicar la duración <strong>de</strong> un periodo?<br />
14.2. que en un periodo la señal <strong>de</strong> salida tenga un ciclo <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong>l 20 %, manteniendo<br />
la frecuencia?<br />
14.3. que en un periodo la señal <strong>de</strong> salida tenga un ciclo <strong>de</strong> trabajo <strong>de</strong>l 80 %, manteniendo<br />
la frecuencia?<br />
15. ¿Cómo pue<strong>de</strong> modificarse el circuito <strong>de</strong> la figura 3 para que la carga consista en dos LED<br />
que alternativamente se enciendan y apagan con una frecuencia cada uno <strong>de</strong> 0,5 Hz.<br />
16. Los resultados <strong>de</strong> todas las simulaciones con los tres circuitos <strong>de</strong>ben ser presentados al<br />
profesor antes <strong>de</strong> realizar las pruebas experimentales.<br />
17. En la sesión <strong>de</strong> laboratorio no se utilizan los circuitos mostrados en las figuras, sino<br />
modificaciones propuestas por usted. Revise el procedimiento y realice todos los diseños<br />
alĺı indicados antes <strong>de</strong> la sesión <strong>de</strong> laboratorio. Monte sus circuitos antes <strong>de</strong> la sesión<br />
<strong>de</strong> laboratorio.<br />
Materiales y Equipo<br />
Los números indicados son las cantida<strong>de</strong>s necesarias <strong>de</strong> componentes para montar todos circuitos,<br />
que <strong>de</strong>ben estar listos antes <strong>de</strong> la sesión <strong>de</strong> laboratorio.<br />
1 fuente CC<br />
1 generador <strong>de</strong> funciones<br />
1 osciloscopio <strong>de</strong> rayos catódicos (ORC)<br />
1 aislador <strong>de</strong> tierras (tapón aislador)<br />
1 multímetro digital<br />
1 placa <strong>de</strong> montaje <strong>de</strong> prototipos (protoboard)<br />
alambre aislado 26/24AWG, cables, alicates<br />
6 transistores NTE123, 2N2222 o equivalentes<br />
2 diodos <strong>de</strong> conmutación rápida (por ejemplo 1N914, NTE519 o equivalentes)<br />
6 resistencias <strong>de</strong> 1 kΩ<br />
1 resistencia <strong>de</strong> 2 kΩ<br />
6 resistencias <strong>de</strong> 10 kΩ<br />
1 con<strong>de</strong>nsador <strong>de</strong> 0,1µF<br />
3 con<strong>de</strong>nsadores dimensionados por el estudiante<br />
6 resistencias dimensionadas por el estudiante<br />
3 LED rojos<br />
3 LED ver<strong>de</strong>s<br />
V<br />
Procedimiento<br />
1. Es importante antes <strong>de</strong> comenzar que:<br />
• aisle la tierra <strong>de</strong>l osciloscopio (use el enchufe aislador) respecto a la tierra <strong>de</strong> la<br />
fuente.<br />
4
VI<br />
• comente todos sus circuitos con el profesor antes <strong>de</strong> aplicarles energía eléctrica.<br />
2. Modifique el circuito <strong>de</strong> la figura 1 para reemplazar cada carga resistiva (R C1 y R C2 )<br />
por un LED en serie con una resistencia, que usted <strong>de</strong>be dimensionar para que limite la<br />
corriente a un máximo igual a la corriente nominal <strong>de</strong>l LED.<br />
3. Compruebe el funcionamiento <strong>de</strong>l circuito biestable. Para ello utilice el mecanismo <strong>de</strong><br />
cambio <strong>de</strong> estados por usted sugerido en el cuestionario previo y discutido con el profesor.<br />
Note que pue<strong>de</strong> dañar los transistores si utiliza algún mecanismo no apropiado.<br />
4. Modifique el circuito <strong>de</strong> la figura 2 para reemplazar las cargas resistivas (R C1 y R C2 )<br />
por LED en serie con resistencias dimensionadas como en el punto 2 <strong>de</strong>l procedimiento.<br />
A<strong>de</strong>más, dimensione R B2 y C para que el estado inestable perdure 1 segundo.<br />
5. Verifique el funcionamiento correcto <strong>de</strong> su circuito produciendo disparos en forma manual<br />
y observando el tiempo que perdura el estado inestable.<br />
6. ¿Qué ocurre si el diodo D 1 es reemplazado por un corto-circuito y el diodo D 2 por un<br />
circuito abierto?<br />
7. Modifique el circuito <strong>de</strong> la figura 3 para reemplazar las cargas resistivas por LED en<br />
serie con resistencias dimensionadas como en el punto 2 <strong>de</strong>l procedimiento. A<strong>de</strong>más,<br />
dimensione R B2 y C para que cada estado perdure 1/2 segundo.<br />
8. Compruebe el funcionamiento correcto <strong>de</strong> su circuito.<br />
Evaluación<br />
1. Investigue aplicaciones para los circuitos multivibradores biestables, monoestables y astables.<br />
2. Revise cómo se se pue<strong>de</strong>n modificar los tiempos <strong>de</strong> los estados inestables en los multivibradores<br />
monoestable y astable. Resuma resultados con fórmulas para calcular los<br />
valores <strong>de</strong> los componentes correspondientes.<br />
3. ¿Cómo pue<strong>de</strong> utilizarse el multivibrador astable para medir la capacitancia <strong>de</strong> un con<strong>de</strong>nsador?<br />
4. ¿Por qué <strong>de</strong>ben ser los diodos en el circuito 2 <strong>de</strong> conmutación rápida?<br />
5. ¿Cómo se <strong>de</strong>ben modificar los circuitos monoestables si se utilizan transistores BJT <strong>de</strong>l<br />
tipo PNP?<br />
PAM/pam, 24 <strong>de</strong> agosto <strong>de</strong> 2006<br />
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