Práctica 3.pdf

Benemérita Universidad Autónoma de Puebla Facultad Ciencias de la Electrónica

Sistemas electrónicos de potencia. Otoño 2015.

Facultad de ciencias de la electrónica; BUAP. Sistemas electrónicos de potencia. Otoño 2015.

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RESUMEN UJT: Uni-Juction Transistor, dispositivo semiconductor que tiene solo una juntura. Relaxation Oscillator: Oscilador basado en el

comportamiento de retorno de un sistema físico de equilibrio después de ser molestado.

INTRODUCCIÓN El UJT tiene tres terminales: B1, B2 y E, donde las bases B1 y B2 están compuestos por material N-Type, mientras que el emisor E esta dopado con material P-Type. La representación física del UJT se muestra en la Fig. 1

Fig.1 Diagrama Interno a Bloques UJT

El emisor se dopa fuertemente, mientras que en la región de las bases se deposita una ligera contaminación, bajo estas condiciones, se hace presente una región de resistencia negativa, y aparecen dos estados de funcionamiento bien definidos, correspondientes al estado de bloqueo y al estado de conducción. Para comprender el funcionamiento del dispositivo UJT, se recurre a su circuito equivalente, que se muestra en la Fig.2.

Fig. 2 Circuito equivalente del UJT

Las resistencias Rb1 y Rb2 constituyen la resistencia de la barra de silicio, siendo Rbb la suma de las dos resistencias, es decir, la resistencia total:

Rbb Rb1 Rb2 (1) A Rbb se le conoce como “static inter-base resistance”,o “resistencia inter-base”.

En términos generales Rbb es variable normalmente entre 5k-10k. El diodo D es el equivalente a una unión emisor-base, presenta un voltaje umbral desde 0.4 volts hasta 0.7 volts. Cuando un voltaje Vbb es aplicado entre B1 y B2 con el emisor abierto el voltaje en el nodo A es igual a:

Va VbbRb1

Rb1Rb2 (2)

Rb1

Rb1Rb2 (3) A la ecuación 3 se le conoce como Intrinsic

standoff ratio h (eta). produce una variación que

comprende desde 0.5 hasta 0.8, lo cual significa que Rb1 es igual o hasta cuatro veces el valor de Rb2. La tensión Va se conoce como voltaje intrínseco y es la que polariza inversamente al diodo emisor, al no existir una señal en la entrada. Al aplicarse la tensión Ve en el emisor, el transistor permanece bloqueado hasta tanto no se alcance el voltaje pico Vp, el cual está dado por

la siguiente expresión:

Vp Vd Va (4) Donde Vd es el voltaje del diodo emisor de

Equipo N°2 PRÁCTICA N°4: Circuito Oscilador de Relajación UJT

Samynda Soleimy Ortiz Fortis, Miriam Rosas Santos, José Roberto Huerta Sánchez, Alex Adán Couto Rodríguez.

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acuerdo al circuito equivalente de la imagen Fig. 2. Cuando el diodo de emisor entra en conducción, porque la región P está fuertemente contaminada y la región N no, se inyecta huecos a la parte inferior del UJT. La ligera contaminación de esta región proporciona un tiempo de vida largo para los huecos, se produce una trayectoria de conducción entre emisor y la base B1. Al fluir corriente por B1, la resistencia Rb1 disminuye, efectuándose modulación de conductividad. Al disminuir esta resistencia, la tensión Va disminuye y se obtiene una mayor inyección de corriente de emisor. La disminución de tensión y aumento de corriente representa una región de resistencia

bajos niveles de corriente. En la figura 3 se muestra la curva característica del UJT.

Fig.3 Curva Característica del UJT

En aplicaciones que utilizan osciladores y circuitos temporizadores no es conveniente tener variaciones en el valor Vp, la exactitud de esos circuitos depende de la invariabilidad de Vp, además, Vd y n son parámetros dependientes de la temperatura, entonces es necesario estudiar su incidencia sobre Vp. Vd disminuye al aumentar la temperatura, esta variación es del orden de -

2mV/°C. El valor de h también disminuye, en

grado inapreciable con el aumento de temperatura. El valor de Rbb es dependiente de la temperatura, ya que es la resistencia de un material semiconductor. Su efecto en la tensión Va es

despreciable, este valor depende de h y la

variación de h es despreciable. Para compensar

variaciones en el diodo, se conecta una resistencia R2 externa en serie con Rb2, a la terminal B2. Se toma el valor típico del datasheet el cual es de 7 K-ohm. El valor de Rbb es dependiente de la temperatura, ya que es la resistencia de un material semiconductor. Su efecto en la tensión Va

es despreciable, este valor depende de eta y la variación de eta es despreciable. Para compensar variaciones en el diodo, se conecta una resistencia R2 externa en serie con Rb2, a la terminal B2. Bajo estas condiciones se tiene:

Va VbbRb1

Rb1Rb2R2 (5) Dividiendo ecuación 5 con Rbb se tiene que:

Va Vbb

1R2Rbb (6)

Si la temperatura baja, Rbb baja, el factor R2/Rbb sube y por consiguiente Va baja. Si la temperatura sube, Rbb sube, el factor R2/Rbb baja y por consiguiente Va sube. Se observa que las variaciones de Vd se compensan con las variaciones de Va, porque ocurren en sentido opuesto, de esta forma se mantiene el valor de Vp. Con un rango de trabajo para la fuente de polarización Vbb comprende entre 10 y 35 volts, se obtiene que R2 varía entre 50 k y 1 k.

El oscilador de relajación El circuito Fig. 4 trabaja de la siguiente forma: Al encender la alimentación, el condensador Ce se carga a través de Re hasta alcanzar el nivel Vp. En este punto, el UJT entra en conducción la resistencia Rb1 tiende a disminuir hasta un valor cercano a cero, se genera un pulso de corriente que corresponde a la descarga del condensador, esa corriente fluye por R1 y se desarrolla un pulso de voltaje en la terminal B1. Simultáneamente que aparece un pico positivo en B1, aparece otro negativo en B2. Esto sucede porque la caída de tensión en Rb1 provoca una reducción en la resistencia total entre Vbb y tierra, y consecuentemente un incremento en la corriente por R2, se provoca una mayor caída a través de R2 creándose un pico de voltaje negativo en el terminal B2.

Fig. 4 Oscilador de Relajación

En el terminal de emisor, se desarrolla una señal diente de sierra, la cual no es totalmente lineal debido a la carga exponencial del condensador




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puesto que este no se carga a una rata constante. Por otro lado, la parte baja de la señal no es exactamente cero voltios. Hay dos razones para que esto ocurra:

El voltaje emisor-base B1 jamás alcanza el valor cero, sino el voltaje de valle Vv.

Hay siempre alguna caída de voltaje a través de R1, debido a la corriente que fluye a través del UJT

OBJETIVO GENERAL Diseñar un circuito oscilador de relajación con un UJT, haciendo las debidas operaciones matemáticas para su diseño

OBJETIVOS ESPECÍFICOS Obtener una respuesta de Frecuencia

f=70, 75,77 y 79 Hz, variando la resistencia R del circuito de la Fig. 2

Obtener las ecuaciones que permitan saber que valores a usar en resistencias y capacitor para armar el circuito de la Fig. 4.

Realizar las anotaciones correspondientes para obtener una conclusión.

DESARROLLO Dado el circuito de la Fig.4 se escoge el UJT con la matrícula 2n2646 ya que dará los parámetros con los que se deberán de trabajar a través del diseño: Resistencia intrínseca Rbb=7k-ohms Nota: observar el datasheet para ver la curva que muestra la variación de Rbb con respecto a la temperatura. (Se escoge 7k-ohm ya que es el valor típico) Corriente Pico Ip=1uA Corriente valle Iv=6mA Nota: Los valores Ip e Iv definen la región de resistencia negativa Intrinsic stand-off

h=.674

Nota: es el valor más importante del diseño con él se desarrolla el diseño del oscilador Power supply Vbb≤30V El circuito de la Fig. 4 nos da el diagrama de

conexión a hacer donde R2 y R1 son resistencias limitadoras de corriente, mientras que Re y Ce determinaran la frecuencia de oscilación del circuito, dado por la ecuación 7

F 1

ReCe ln 11 (7)

Dado que no conocemos los valores de Re y Ce se elige un capacitor Ce=1e-6 F para tener solo una variable que nos permita variar la frecuencia en términos de la resistencia Re. Ahora bien se desean ciertas frecuencias por lo que es necesario calcular la resistencia Re, esto puede ser posible despejando la ecuación 7 en términos de Re, dando como resultado:

Re 1

fCe ln 11 (8)

O en el tiempo

Re T

Ce ln 11 (9)

Con las ecuaciones 8 y 9 dada una frecuencia es posible saber a qué resistencia Re se le debe de colocar al circuito de la Fig. 4. El valor de Re no debe de sobrepasar ciertos valores, es decir, Re tiene límites, un límite máximo (RMax) y un límite menor (RMin), para hayarlos se hace uso de las ecuaciones siguientes:

RMin VbbVv

Iv (10)

RMax VbbVp

Ip (11) El voltaje valle Vv es normalmente el 10% del voltaje de alimentación Vbb. Para la realización de las operaciones se hace uso de Matlab 2015 cuyo código es: %Script UJT

clear all;close all;clc;

vbb=10;%power supply

%////////////From the data sheet the

specifications for the 2N2646 are:

eta=0.674; %intrinsic stand off ratio

Rbb=7e3;%Resistencia interbase

Iv=6e-3;%valley current "Min"

Ip=1e-6;%Peak current "Max"

%/////////////////////////////////////////

/////////////////////////////////

Vp=vbb*eta+0.7;%volage peak

Vv=vbb*.1;%voltage valley

%The limits values for R is given by:

RMax=(vbb-Vp)/Ip;%Max




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RMin=(vbb-Vv)/Iv;%Min

F=input('Give the Frequency: ');

C=1e-6;

T=1/F;

R=T/(C*log(1/(1-eta)));

if R<RMax && RMin<R

R=R/1000;

fprintf('You need a Resistor with: %.3f

Kohm \n',R)

else

disp('Not possible for the 2n2646')

end

El cual permite al usuario introducir la frecuencia y el programa otorga el valor de la resistencia Re a la cual logra su cometido. Así sin más se procede a ejecutar el programa para las frecuencias de: //*****************F=70 Hz

Give the Frequency: 70 You need a Resistor with: 12.745 K-ohm Power Supply=10.0 Vp=7.440 Vv=1.000 RMax=2560000.000 RMin=1500.000 eta=0.674 //*****************F=75 hz



Give the Frequency: 79 You need a Resistor with: 11.293 K-ohm Power Supply=10.0 Vp=7.440 Vv=1.000 RMax=2560000.000 RMin=1500.000 eta=0.674

Con 11.293 K-ohm ≤Re≤12.745 K-ohm se elige

materiales comerciales con ello lleva una resistencia de 10k que nos permita mantenernos en cierto nivel y un POT de rango de 0-5k Ahora se tiene por completo la lista de materiales para la realización del diseño del circuito de la Fig. 4. Quedando como: MATERIALES

Capacitor Ce=1 uF

R1=100 ohm

R2=470 ohm

R3=5 K-ohm

POT=5 k-ohm

UJT 2n4626 Modificando un poco el diseño de la Fig. 4 dando lugar al de la Fig. 5

Fig. 5 Diseño de la Práctica

De acuerdo a la Fig. 5 se realiza en forma física quedando como Fig. 6




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Fig. 6. Armado del Circuito en protoboard

RESULTADOS Con ayuda de un osciloscopio se comprueba el funcionamiento del oscilador en el nodo Ve (entre la resistencia R3 y el capacitor Ce) de la Fig.5 //*****************F=70 hz

Fig. 7. Con el POT de 5k al 54.9%

Fig. 8 Respuesta Osciloscopio 70 hz

//*****************F=75 hz

Fig. 9. Con el POT de 5k al 37.91

Fig. 10. Respuesta Osciloscopio 75 Hz

//*****************F=77 hz




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Fig 11. Con el POT de 5k al 31.73%

Fig. 12 Respuesta Osciloscopio 77 Hz

//*****************F=79

Fig. 13. Con el POT de 5k al 25.86%

Fig. 14 Respuesta Osciloscopio 79 Hz

CONCLUSIONES Las características que se presentan en el UJT lo hacen útil en circuitos de aplicación industrial, como son circuitos de tiempo (timers), osciladores, generadores de onda, y circuitos de disparo para SCRs y TRIACs. REFERENCIAS

Recuperado en: http://www.profesormolina.com.ar/tutoriales/enica_pot.htm El 19 / 10 / 2015.

Pareja J., Muñoz A., Angulo C., Prácticas de Electrónica, McGraw-Hill, España, 1990, Cap.1 Semiconductores avanzados, 239 paginas.

Muhammad H. Rashid, Electrónica de potencia circuitos, dispositivos y aplicaciones. (2004), ed. Pearson Prentice Hall, 3° edición, 904 páginas, México.

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Práctica 3.pdf