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Practica #1. Transistores JFET Electrónica Analógica II
Universidad Politécnica Salesiana
Abstract— In this paper we analyze the behavior of JFET transistors to
different forms of the same bias for transistor N.
There will be a design for each circuit, in order to obtain a specified output
of our circuit. Also we can see through the multimeter that is what happens
if a specific circuit as the voltage divider will put a resistor in the output of
the source. We will measures for each section of the circuit and analyze it
with calculations and simulations, these comparisons will be made by means
of tables where we can see if there is any variation in the results in each
circuit. The sections to be analyzed are: drain current (ID), Drain-Source
Voltage (VDS), Gate-Source Voltage (VGS) Circuits should be analyzed by
type of transistor either P-type or N decremental Incremental having
different reactions. A common problem with FET transistors is not
supporting much current as they tend to destroy exceeding the saturation
zone of the same, but the voltage is much easier to control than the current
practice for this is to use the two types of transistors JFET above.
I. INTRODUCCIÓN
El transistor de efecto campo (Field-Effect Transistor o FET,
en inglés) es en realidad una familia de transistores que se
basan en el campo eléctrico para controlar la conductividad de
un "canal" en un material semiconductor. Los FET pueden
plantearse como resistencias controladas por diferencia de
potencial. La mayoría de los FET están hechos usando las
técnicas de procesado de semiconductores habituales,
empleando la oblea monocristalina semiconductora como la
región activa o canal. La región activa de los TFT (thin-film
transistor, o transistores de película fina) es una película que
se deposita sobre un sustrato (usualmente vidrio, puesto que la
principalaplicación de los TFT es como pantallas de cristal
líquido o LCD). [1][2][3]
Los transistores de efecto de campo o FET más conocidos son
los JFET (Junction Field Effect Transistor), MOSFET (Metal-
Oxide-Semiconductor FET) y MISFET (Metal-Insulator-
Semiconductor FET). Es un dispositivo de tres terminales y
dos junturas, creado en un material semiconductor sólido
cristalino (generalmente germanio, silicio, ó arseniuro de
galio) con diferentes contaminaciones, que permite regular la
circulación de una corriente eléctrica mediante una corriente
de control, mucho menor. [2][3]
El primer transistor se creó en los laboratorios Bell (Estados
Unidos de N.A.) en 1947,partiendo de una oblea de germanio,
gracias a los trabajos de William Shockley, JohnBardeen, y
Walter Brattain, por lo cual recibieron el premio Nobel.
[1][2][3]
II. OBJETIVOS
Diseñar, calcular y comprobar el funcionamiento de los
siguientes circuitos con transistores JFET.
A. Polarización del transistor con 2 fuentes.
B. Autopolarizacion.
Con resistencia de Source.
Sin resistencia de Source.
C. Polarización por divisor de tensión.
D. Polarización con fuente simétrica.
III. MARCO TEÓRICO
Transistor FET: El FET es un dispositivo semiconductor que
controla un flujo de corriente por un canal semiconductor,
aplicando un campo eléctrico perpendicular a la trayectoria
de la corriente.
El FET está compuesto de una parte de silicio tipo N, a la
cual se le adicionan dos regiones con impurezas tipo P
llamadas compuerta (gate) y que están unidas entre si. Ver la
figura 1. [4][5]
Los terminales de este tipo de transistor se llaman Drenador
(drain), Fuente (source) y el tercer terminal es la compuerta
(gate) que ya se conoce. La región que existe entre el
drenador y la fuente y que es el camino obligado de los
electrones se llama "canal". La corriente circula de Drenaje
(D) a Fuente (S). Ver la figura 1. [4][5]
Este tipo de transistor se polariza de manera diferente al
transistor bipolar. El terminal de drenaje se polariza
positivamente con respecto al terminal de fuente (Vdd) y la
compuerta o gate se polariza negativamente con respecto a la
fuente (-Vgg). A mayor voltaje -Vgg, más angosto es el canal
y más difícil para la corriente pasar del terminal drenador
(drain) al terminal fuente o source. La tensión -Vgg para la
que el canal queda cerrado se llama "punch-off" y es
diferente para cada FET. [4][5]
El transistor de juntura bipolar es un dispositivo operado por
corriente y requieren que halla cambios en la corriente de
base para producir cambios en la corriente de colector. El
FET es controlado por tensión y los cambios en tensión de la
compuerta (gate) a fuente (Vgs) modifican la región de
rarefacción y causan que varíe el ancho del canal. [4][5]
Fig. 1 Junturas del transistor.
Funcionamiento: El funcionamiento del transistor de efecto
de campo es distinto al del BJT. En los MOSFET, la puerta
no absorbe corriente en absoluto, frente a los BJT donde la
corriente que atraviesa la base, pese a ser pequeña en
comparación con la que circula por las otras terminales, no
siempre puede ser despreciada.
Los MOSFET, además, presentan un comportamiento
capacitivo muy acusado que hay que tener en cuenta para el
análisis y diseño de circuitos. Así como los transistores
bipolares se dividen en NPN y PNP, los de efecto de campo o
FET son también de dos tipos: canal n y canal p, dependiendo
de si la aplicación de una tensión positiva en la puerta pone al
transistor en estado de conducción o no conducción,
respectivamente. [5][6][7]
Los transistores de efecto de campo MOS son usados
extensísimamente en electrónica digital, y son el componente
fundamental de los circuitos integrados o chips digitales.
Fig. 2 Terminales del FET.
Estructura y símbolo del transistor: Canal n y Canal p
Terminales: Puerta, Drenador y Fuente. Componente
simétrico. Ver la figura 3.
Fig. 3 Simbología del transistor.
Efecto campo. Canal n: Tensión VDS y VGS al aire: iD
proporcional a VDS. Máxima iD determinada por la sección
del canal n. Resistencia.
Fig. 4 Polarización del FET canal n.
Tensión VDS y VGS cortocircuitado: Polarización p-n
inversa. Aparece zona de transición o agotamiento. Se
estrecha el canal de conducción. iD proporcional a VDS hasta
un valor máximo iDSS (Corriente de drenaje de saturación).
Comportamiento no lineal.
Fig. 5 Curva del transistor.
Tensión VDS y VGS polarizado en inversa: Polarización p-n
más inversa que VGS=0. Zona de transición mayor. Canal de
conducción más estrecho. iD proporcional a VDS hasta un
valor máximo. Comportamiento no lineal.
Fig. 6 Polarización
Zonas de funcionamiento:
Zona Lineal: Para una determinada >VTR la iD varía
linealmente según se incrementa VDS hasta una Vsat.
Vsat~VGS-VTR
Zona de Saturación: Para una determinada tensión
VGS>VTR, si VDS>Vsat la iD permanece constante
aunque aumente VDS.
Zona de Corte: Para una determinada tensión VGS<VTR
en canal está estrangulado y no circula la corriente iD.
Curva característica del FET y punto de trabaoj: En la
figura 7, muestra que al aumentar el voltaje Vds (voltaje
drenador - fuente), para un Vgs (voltaje de compuerta)
fijo, la corriente aumenta rápidamente (se comporta como
una resistencia) hasta llegar a un punto A (voltaje de
estricción), desde donde la corriente se mantiene casi
constante hasta llegar a un punto B (entra en la región de
disrupción o ruptura), desde donde la corriente aumenta
rápidamente hasta que el transistor se destruye. [6][7][8]
Fig. 7 Curva del transistor a la salida.
Si ahora se repite este gráfico para más de un voltaje de
compuerta a surtidor (Vgs), se obtiene un conjunto de
gráficos. Ver que Vgs es "0" voltios o es una tensión de
valor negativo.
Si Vds se hace cero por el transistor no circulará ninguna
corriente. (ver figura 9)
Para saber cuál es el valor de la corriente se utiliza la
fórmula de la curva característica de transferencia del
FET. [6][7][8]
Fig. 8 Curva del transistor a la salida varios voltajes.
Ver gráfico de la curva característica de transferencia de
un transistor FET de canal tipo N en el gráfico. La
fórmula es: ID = IDSS (1 - [Vgs / Vgs (off)] )
donde:
- IDSS es el valor de corriente cuando la Vgs = 0
- Vgs (off) es el voltaje cuando ya no hay paso de
corriente entre drenaje y fuente (ID = 0)
- Vgs es el voltaje entre entre la compuerta y la fuente
para la que se desea saber ID
Fig. 9 Recta de carga del transistor.
Características.
Tiene una resistencia de entrada extremadamente alta
(casi 100MΩ).
No tiene un voltaje de unión cuando se utiliza como
conmutador (interruptor).
Hasta cierto punto es inmune a la radiación.
Es menos ruidoso.
Puede operarse para proporcionar una mayor estabilidad
térmica. [6][7][8]
IV. LISTADO DE MATERIALES.
- Baceta.
- Resistencias (varias).
- Cable multipar.
- Transistores (Canal N )
- Multimetro.
15 Resistencias. 05 ctv c/u
5 Transistores 60 ctv c/u
Costo total materiales = $ 3,75 ctv.
V. DESARROLLO.
Huna vez que contamos con todos los materiales y los
diagramas revisados anteriormente y calibrado el osciloscopio
procedemos a armar los circuitos en nuestra baceta.
Verificamos los pines de nuestro transistor para armar el
circuito de una manera correcta y evitar alguna complicación,
podemos cerciorarnos de los pines en la imagen vista
anteriormente.
Para realizar la practica primeramente se debe de tener una
idea clara de lo que son los transistores, también se debe de
tener conocimientos sobre sus valores y de su correcta
conexión para que en la práctica no tengamos inconvenientes.
Para cada circuito tenemos que medir la Corriente de drain
(ID), Voltaje Drain-Source (VDS), Voltaje Gate-Source (VGS),
luego proceder a verificar que los valores medidos coincidan
con los valores pedidos en el cálculo, de no ser así volver a
recalcular con los nuevos valores y compararlos nuevamente.
El motivo del recalculo se debe a que el Vp del transistor
cambia de valor debido a la temperatura u otros factores.
A. Circuito 1:
Polarización con 2 Fuentes.
Cálculos.
Datos:
Cálculos:
Simulaciones.
ID VDS
Tabla de datos.
Recta de carga.
Ver Anexo I.
B. Circuito 2:
Autopolinización sin resistencia de Source.
MPF102
RD
VDD
0
VDD
1
Cálculos.
Datos:
Cálculos:
Simulaciones.
ID VDS
Tabla de datos.
Recta de carga.
Ver Anexo II.
C. Circuito 3:
Autopolinización con resistencia de Source.
Cálculos.
Datos:
Cálculos:
Simulaciones.
ID VDS
VDD
RD
RG
RS
MPF102
3
0
VDD
2
1
Tabla de datos.
Recta de carga.
Ver Anexo III.
D. Circuito 4:
Polarización por divisor de tención.
Cálculos.
Datos:
Cálculos:
Simulaciones.
ID VDS
Tabla de datos.
Recta de carga.
Ver Anexo IV.
R1
R2RS
RD
MPF102
VDD
VDD
0
1
3
2
E. Circuito 5:
Polarización con fuente simétrica.
Cálculos.
Datos:
Cálculos:
Simulaciones.
ID VDS
Tabla de datos.
Recta de carga.
Ver Anexo V.
VI. ANÁLISIS.
En el desarrollo de esta práctica se trató de obtener los
valores calculados ya sea de voltaje como de los elementos
mismos del circuito, por lo que se trató de aproximar el valor
calculado al valor comercial de resistencias, algunos
resultados variaron no de forma considerable pero, si con un
rango notable.
Los análisis de circuitos armados, a trabes de Cálculos
Matemáticos, Práctica y simulaciones. Podemos Observar
que existe un rango de diferencia entre el Cálculo, las
Mediciones y la Simulación, esto está ligado a los siguientes
parámetros. Valores de resistencias aproximados, aparatos de
mediciones con errores, etc.
MPF102
VDD
RD
RS
VSS
VSS
VDD
0
1
3
Al tratar de resolver los circuitos con el transistor FET
tuvimos que valernos de resoluciones de ecuaciones para tratar
de resolverlos, así como también la imposición de algunos
datos para facilitar los cálculos. Los parámetros fueron
tomados de la guía de uso que viene con el FET y tuvimos que
tomar esos datos de los rangos indicados. También cabe decir
que si el punto de trabajo debe estar a la mitad el valor de
VDS debe ser VDD/2, para trabajar a la mitad de la recta de
carga.
VII. CONCLUSIONES.
Realizando la investigación para la introducción al transistor
observamos que el transistor puede actuar como interruptores
cerrados y abiertos debido en la zona de trabajo del transistor,
estos cumplen funciones de amplificador, oscilador,
conmutador o rectificador, esto se da en la zona lineal del
transistor
Los transistores FET, son transistores controlados por voltaje
para variación de corriente, aunque uno de sus principal les
problemas es que no manejan altas corrientes es más sencillo
controlarlos por voltaje ya que se puede saber fácilmente las
caídas de tensión de los mismos, según las resistencias que se
utilicen esto a través de la ley de ohm.
Se puede observar que la curva característica del FET es muy
parecida a la del BJT. Puedo decir que para que las
mediciones de la practica sean aceptables y tengan el menor
número de errores en las mismas con respecto a los cálculos
tuvimos que ajustar las resistencias lo más posible a los
cálculos teniendo en algunos casos que poner las resistencias
en serie o en paralelo ya que los valores de las mismas si se
alejaban mucho cambian los valores de corriente y voltaje a
rangos que no son aceptables, es decir que para el transistor
FET funcione correctamente las resistencias deben ser las más
exactas posibles.
Los valores de los JFET pueden ser diferentes aunque sean del
mismo tipo por lo que primero tuvimos que obtener los
valores reales de Vp y de IDSS. Para medir el Vp y el IDSS
utilizamos la polarización fija, conectamos un voltímetro para
medir el VGS y un amperímetro para medir la corriente ID,
entonces variamos el voltaje VGS con la fuente VGG hasta
que sea cero y obtenemos el valor de IDSS del amperímetro y
para medir el valor Vp variamos la fuente Vcc hasta que sea
cero, es decir, cuando la corriente ID=0 y obtenemos nuestro
voltaje Vp del voltímetro.
Siempre debemos tener en cuenta que algunos factores
influyen bastante en los cálculos y las mediciones para los
circuitos con transistores.
____________________________________
Doing research for the introduction to see that the transistor
transistor can act as switches open and closed in the area
because of transistor, these functions satisfy amplifier,
oscillator, switch, or rectifier, this occurs in the linear region
of the transistor
FET transistors are voltage controlled transistor current
variation, but one of its main problems is that they do not
handle high currents is voltage-control easier since you can
easily know the voltage drops of the same, as the resistance
that are used by Ohm's law.
One can observe that the characteristic curve of the FET is
very similar to the BJT. I can say that for practical
measurements are acceptable and have the least number of
errors in the calculations regarding had to adjust the
resistance as possible to the calculations taking place in some
cases that the resistors in series or in parallel since the values
of the same if they strayed much change the current values
and voltage ranges that are not acceptable, ie for the FET
resistance function properly should be the most accurate
possible.
The values of the JFET can be different but the same type so
we first had to obtain the actual values of Vp and IDSS.
We must always keep in mind that some factors influence
enough in the calculations and measurements for circuits
with transistors.
VIII. RECOMENDACIONES.
Realizando la práctica y paralelamente con la investigación
podemos establecer unas recomendaciones necesarias para la
realización exitosa de la práctica:
Si estando en la zona de saturación se aumenta mucho
VDS se produce la ruptura del componente.
Realizar la medición de los valores IDss y Vp para cada
transistor a utilizar debido a que estos valores varían
para cada transistor y difieren de los del datasheet. Para
la medición de estos valores podemos aplicar la
polarización fija explicado en las conclusiones.
Imponerse valores adecuados para que no sobrepasen los
valores limites del transistor es decir que no sobrepasen
IDss y Vp.
REFERENCIAS.
[1] http://cat.inist.fr/?aModele=afficheN&cpsidt=18710463
[2] CA Ibarra, S Medina S, Á Bernal N - TE & ET, 2007 -
sedici.unlp.edu.ar
[3] www.asifunciona.com/electrotecnia/...resistencia/ke_resi
stencia_1.html
[4] Robert L. Boylestad, Introducción al analisis de
Circuitos, Decima Edicion, 2004
[5] http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor }
[6] www.inele.ufro.cl/bmonteci/semic/applets/pagina_jfet/J
Fet.htm
[7] http://www.ucm.es/info/electron/laboratorio/componente
s/codigos/pag06-03.htm
[8] http://www.av.anz.udo.edu.ve/
[9] Explicaciones realizadas por el profesor de laboratorio.
ANEXOS
Rectas de Carga y Puntos de trabajo.
Anexo 1
Polarización Fija.
Tabla de datos.
Anexo II
Autopolinización sin Resistencia de Sourse.
Tabla de datos.
Anexo III
Autopolinización con Resistencia de Sourse.
Tabla de datos.
Anexo IV
Polarización por Divisor de Tensión.
Tabla de datos.
Anexo V
Polarización con Fuente Simétrica.
Tabla de datos.