Práctica 2 Guión

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PRÀCTICAS DE TECNOLOGIA ELECTRÒNICA
Práctica 2
PRÁCTICA 2: ENSAYOS DE DIODOS Y TRANSISTORES
OBJETIVOS.
El objetivo de esta práctica es estudiar la influencia del comportamiento no ideal
de los diodos y transistores en la respuesta de los circuitos propuestos, así como la
medición de algunos parámetros de dichos dispositivos. En particular, se estudiarán los
relacionados con ciertos aspectos de su comportamiento dinámico.
MATERIAL NECESARIO.
En el siguiente listado, se detallan los valores de los componentes que
opcionalmente puede traer el alumno a la sesión de prácticas, el tipo y la tolerancia de
los resistores se dejan a su libre elección. No obstante, se recomienda la utilización de
un resistor de 100  de 1 W de potencia nominal para el último ensayo de la unión PN
intrínseca del transistor MOSFET.
-
1 diodo 1N4004.
1 transistor BJT tipo BD139 o equivalente.
1 transistor MOSFET tipo IRF840 o equivalente.
Las resistencias requeridas para la realización de los montajes propuestos en
la práctica.
CUESTIONES PREVIAS A LA PRÁCTICA.
1.- Analice y explique el funcionamiento del circuito rectificador de media onda de la
figura 1.1. Con los valores numéricos propuestos en el apartado 1.1, calcule el valor
máximo o valor de pico de la corriente por el circuito y el valor de eficaz de la caída de
tensión en bornes del resistor Ro, dibujando las formas de onda de la tensión
suministrada por el generador y de la tensión en bornes de Ro.
2.- Enumere y defina los valores máximos nominales de catálogo (Absolute Maximum
Ratings) de los diodos rectificadores. Indique qué valores presentan en los diodos
utilizados en la práctica (1N4004, BY299) mediante la consulta de los catálogos de los
fabricantes.
3.- Analice y explique el funcionamiento del circuito de la figura 2.2, en el que el
transistor está trabajando en régimen de conmutación (estados de corte y saturación).
Dibuje la forma de onda de la tensión suministrada por el generador y de la tensión
colector-emisor del transistor, calculando los valores de la corriente de pico de base y de
la corriente de pico de colector.
Para ello considere que el generador suministra una señal cuadrada de 0 a 10 V
de amplitud, y que el transistor lo modelizamos con una tensión base-emisor de
saturación de 0,8 V y una tensión colector-emisor de saturación de 0,2 V.
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4.- Enumere y defina los valores máximos nominales de catálogo (Absolute Maximum
Ratings) de los transistores BJT. Señale que valores presentan en el transistor utilizado
en la práctica mediante la consulta del los catálogo del fabricante.
5.- Explique brevemente las características básicas más importantes de los transistores
de efecto de campo JFET y MOSFET y las diferencias más importantes que presentan
respecto a los transistores BJT.
6.- Enumere y defina los valores máximos nominales de catálogo (Absolute Maximum
Ratings) de los transistores MOSFET. Señale que valores presentan en el transistor
utilizado en la práctica mediante la consulta del catálogo del fabricante.
SIMULACIONES.
De manera optativa, se pueden simular los circuitos realizados en la presente
práctica para poder comparar con los diferentes resultados obtenidos en el laboratorio.
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ENSAYOS A REALIZAR.
1.- Ensayos en Diodos.
El circuito de la figura 1.1 es un rectificador monofásico de media onda. Su
utilización no es muy adecuada para rectificación de pequeña señal dada la caída de
tensión que presenta el diodo en conducción. No obstante, comprobaremos su
comportamiento con una forma de onda de relativa poca amplitud, con objeto de
estudiar la influencia de los tiempos de conmutación del diodo en la respuesta del
circuito al aumentar la frecuencia de la señal suministrada por el generador.
Figura 1.1.- Circuito rectificador de media onda.
1.1.- Realice el montaje del circuito usando el diodo 1N4004 y aplique mediante
el generador de funciones (Vg) una onda sinusoidal de 10 VPP y 100 Hz de frecuencia.
Dibuje en un mismo gráfico las formas de onda de Vg y de la caída de tensión en bornes
del resistor Ro de 1 k. Dado que es un circuito de una única malla, la caída de tensión
en el resistor será proporcional a la corriente que circula por el diodo.
1.2.- Dibuje nuevamente ambas formas de onda para una frecuencia del
generador de 20 kHz. Comente la influencia de los tiempos de conmutación en la forma
de la onda observada al aumentar la frecuencia del generador.
1.3.- Determine, con ayuda de la figura siguiente, el tiempo de recuperación en
inversa que presenta el diodo:
Figura 1.2.- Tiempo de recuperación en inversa del diodo.
Si tomamos como convenio el de admitir un comportamiento aceptable del
circuito si el tiempo de bloqueo del diodo es como máximo un 10% del semiperiodo de
la onda suministrada por el generador, calcular teóricamente la frecuencia máxima de
trabajo del circuito a partir del tiempo de bloqueo medido.
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1.4.- Sustituya el diodo de silicio por el diodo de conmutación rápida tipo
BY299 que le será suministrado en el laboratorio y determine el tiempo de recuperación
en inversa que presenta este diodo.
¿Qué valor de frecuencia máxima de utilización presenta en este caso el circuito
con el criterio adoptado?
2.- Ensayos en Transistores BJT.
En este apartado mediremos los tiempos de conmutación del transistor BJT
sometido a ensayo. Para definir los tiempos de conmutación, se realiza la medida a
partir de la evolución de la corriente de colector del transistor respecto a la tensión
suministrada por el generador. No obstante, para facilitar la medida y evitar problemas
debidos a la masa común de los instrumentos, los mediremos a través de la tensión
colector-emisor del transistor, aunque hay que considerar que esto será válido
únicamente para el caso de que la carga sea resistiva.
Dichos tiempos los determinaremos mediante la ayuda de la figura siguiente:
Figura 2.1- Tiempos de conmutación del transistor BJT.
Definiéndose en dicha figura los siguientes tiempos:
td :
tr :
ton :
ts :
tf :
toff :
tiempo de retardo.
tiempo de subida (tiempo que invierte la forma de onda en pasar del 10% al 90%
del valor máximo).
tiempo de conexión (td + tr).
tiempo de almacenamiento.
tiempo de bajada (tiempo que invierte la forma de onda en pasar del 90% al 10%
del valor máximo).
tiempo de desconexión (ts+tf).
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Figura 2.2.-Circuito de ensayo propuesto para el transistor BJT.
2.1.- Realice el montaje de la figura 2.2 con el transistor bipolar BD139,
aplicando una señal cuadrada con el generador de 0 a 10V de amplitud, y efectúe la
medida de los tiempos de conmutación del transistor (a través de las formas de onda de
Vg y VCE). Para ello tenga en cuenta lo siguiente:
 Para frecuencias del generador muy bajas, los tiempos son inapreciables
respecto al periodo de la señal, y para frecuencias demasiado elevadas, el
transistor no conmutará. Por lo tanto, ajustar el generador a una frecuencia
tal que permita la medición de dichos tiempos de una forma precisa.
2.2.- Realice la misma medida de los tiempos de conmutación sustituyendo el
resistor RC por un resistor de 1 k. ¿Cuál es el efecto de la disminución de la resistencia
de colector en dichos tiempos? Justifique la respuesta.
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3.- Ensayos en Transistores MOSFET.
3.1.- Tiempos de conmutación.
Al igual que en el caso del transistor BJT, pasaremos a efectuar las medidas de
los tiempos de conmutación del transistor MOSFET. Para ello, realice el montaje de la
figura 3.1, ajustando el generador de funciones Vg para que proporcione una onda
cuadrada de 0 a 10V de amplitud. La frecuencia de la onda ha de ser suficientemente
elevada para poder realizar de forma precisa la medida de dichos tiempos.
La resistencia del circuito de puerta Rg de 470  queda conectada en serie a la
resistencia de 50  de salida del generador. Ambas influyen en el tiempo de
conmutación del transistor, de forma que éste aumenta al aumentar el valor de la
resistencia. No obstante, aunque el transistor MOSFET es un componente de
impedancia de entrada muy elevada, es conveniente colocar un cierto valor de
resistencia en el terminal de puerta. Con ello se limitará la corriente de puerta en el
transitorio de conmutación y, para cuando se hace conmutar el transistor a frecuencias
elevadas, se disminuirán las oscilaciones en la corriente de puerta y en la de drenador
producidas por las capacidades de puerta y las inductancias parásitas presentes en el
circuito.
Figura 3.1. Circuito de ensayo propuesto para el transistor MOSFET.
3.1.1.- Indique los distintos tiempos de conmutación del transistor.
3.1.2.- Sustituya la resistencia de drenador Rd de valor 10 k por una resistencia
de 1 k, efectúe las medidas de los nuevos tiempos de conmutación. ¿Cuál es el efecto
de la disminución de la resistencia de drenador en dichos tiempos? Justifique la
respuesta.
3.1.3.- Comente y justifique brevemente de forma cualitativa el efecto que se
produce al poner un diodo en paralelo al resistor de puerta Rg en los tiempos de
conmutación del transistor. Conecte el diodo con el terminal del ánodo conectado con el
terminal de puerta del transistor.
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3.2.- Capacidades asociadas al terminal de puerta.
Los transistores MOSFET presentan valores no despreciables de las capacidades
asociadas a los terminales del transistor, como la capacidad puerta-fuente, la capacidad
puerta-drenador y la capacidad drenador-fuente, que afectan notablemente a sus
características de conmutación. Estas capacidades dependen de la geometría interna del
dispositivo y presentan un comportamiento no lineal que es función de la polarización,
es decir, de la zona de trabajo en que se encuentre el transistor. Según se encuentre el
transistor en corte, en zona activa o en zona óhmica, el valor de las distintas capacidades
asociadas al terminal de puerta variará, variando por tanto su contribución al transitorio
que se produce en la tensión puerta-fuente, tal como muestra la figura 3.2. En dicha
figura, podemos observar tres zonas claramente diferenciadas:
 La primera (zona A) en que el transistor se encuentra inicialmente cortado
hasta que la tensión VGS supera la tensión umbral o de inversión VT del
transistor y pasa a la zona activa.
 La zona B, en que el transistor se encuentra en la zona activa, en que la
tensión VGS se mantiene aproximadamente constante (en función del tipo de
carga: resistiva o inductiva), y por tanto no influye la capacidad puertafuente, actuando en este intervalo la capacidad puerta-drenador, también
llamada capacidad de Miller.
 Por último el transistor entra en la zona C, en que se encuentra en zona
óhmica y la tensión drenador-fuente toma su valor final.
Figura 3.2.- Evolución de la tensión puerta-fuente del
transistor MOSFET.
En este apartado, realizaremos la visualización de la forma de onda de la tensión
puerta-fuente, para ello continúe con el montaje de la figura 3.1, ajustando el generador
de funciones para que proporcione una onda cuadrada de 0 a 10 V de amplitud, y de una
frecuencia adecuada para poder observar la forma de onda de forma precisa:
3.2.1.- Dibuje las formas de onda de las tensiones en el transistor V GS y VDS,
anotando la frecuencia de la señal suministrada por el generador.
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3.3.- Característica de la unión PN intrínseca.
La estructura interna del transistor MOSFET provoca la aparición de una unión
PN asociada entre los terminales de fuente y de drenador, de forma que el transistor
MOSFET es un dispositivo bidireccional en corriente, a diferencia del transistor BJT.
El objetivo de este apartado será la determinación experimental aproximada de
la tensión umbral de dicha unión. Para ello, realice el montaje de la figura siguiente y
tome la medida de la tensión en bornes de la unión PN interna (terminales fuentedrenador del transistor) cuando el diodo empiece a conducir de forma apreciable y la
tensión tienda a mantenerse a un valor aproximadamente constante, teniendo la
precaución de no aumentar excesivamente el valor de la tensión suministrada por la
fuente E, con objeto de no sobrepasar la potencia máxima que puede disipar el resistor
Rd.
Figura 3.3.-Circuito de ensayo del diodo interno o parásito
del transistor MOSFET.
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