Transistores BJT.

Amplificación de señales
pequeñas y los Fototransistores
Germain Rosadio Vega
Departamento de Ingenierı́a Fı́sica
Facultad de Ciencias
Universidad Nacional de Ingenierı́a
Lima, Perú
grosadiov@uni.pe

Resumen—En este décimo segundo laboratorio analizamos la La ecuación de la recta de carga puede obtenerse de (6)
configuración de polarización del transistor 2N2222A por medio evaluando en los puntos donde intercepta a los ejes, este pro-
del divisor de voltaje para observar el efecto de la amplificación cedimiento se explica en la Sección de Cálculos y resultados
de señales que producen los transistores BJT cuando están
acoplados a un circuito que contiene resistores, capacitores y del paso 2. La recta de carga que se obtiene es la que se
fuentes alternas. En la segunda parte del laboratorio se analiza la muestra en la Fig. 1, donde las curvas de color turqueza con
aplicación del fototransistor y diodo led para conocer el principio las curvas caracterı́sticas del transistor.
del funcionamiento de un optoacoplador. Se realizan las medidas En una condición inicial tendremos una corriente base fija
y los análisis respectivos con las herramientas de simulación IB , la cual nos posiciona en una determinada curva de la
Multisim y Matlab.
Index Terms—Divisor de voltaje, equivalente de Thévenin, foto- Fig. 1; y entonces el punto de intersección de la recta con la
transistor, polarización del transistor, transistor BJT. curva, el punto Q, es el punto al que está operando el transistor.
6 de agosto de 2020 En caso variásemos algún parámetro
Si se cambia el nivel de IB variando el valor de RB , el
I. F UNDAMENTO TE ÓRICO punto Q se desplaza hacia arriba o hacia abajo de la recta
Análisis por medio de la recta de carga de carga como se muestra en la Fig. 3(a) para incrementar
Se conoce como análisis por medio de la recta de carga los valores de IB .
porque la carga (resistores del circuito) del circuito define la Si VCC se mantiene fija y RC se incrementa, la recta de
pendiente de la lı́nea recta que conecta los puntos definidos por carga variará como se muestra en la Fig. 3(b). Si IB se
los parámetros de la red y que al interceptarse con las curvas mantiene fija, el punto Q se moverá como se muestra en
caracterı́sticas, pueden definirse las condiciones de operación la misma figura.
del circuito. Si RC se mantiene fija y VCC se reduce, la lı́nea de carga
Las caracterı́sticas del transistor BJT se sobreponen en una se desplaza como se muestra en la Fig. 3(c).
gráfica de la ecuación del circuito definida por los mismos
parámetros. El resistor de carga RC para la configuración de Sensor emisor-receptor
polarización fija definirá la pendiente de la ecuación de la red También llamado opto acoplador. Este circuito consta de
y la intersección resultante entre las dos gráficas. Cuanta más dos subcircuitos, uno emisor y otro receptor.
pequeña sea la resistencia, más pronunciada será la pendiente El circuito emisor consta de un diodo led IR con una tensión de
de la recta de carga de la red. referencia y un resistor. El circuito receptor está basado en el
fototransistor IR ST-1KL3B, que recibe en la base la radiación

Figura 1: Recta de carga en las curvas caracterı́sticas de un

transistor. Figura 2: Componentes de un sensor emisor-receptor.
 “Año de la universalización de la salud”

(a) (b) (c)

Figura 3: Cambios en el punto de operación Q y la recta de carga al variar ciertos parámetros del circuito.

emitida por el emisor. Este fototransistor tiene 3 pines, el pin y por ser un divisor de voltaje en la primera submalla (la
de la base queda libre. Esto se muestra en la Fig. 2. que contiene V1 , R1 y R2 ) tenemos
R2
II. P REGUNTAS DEL CUESTIONARIO VR2 = VCC (1)
R1 + R2
1. Analice por el método exacto el circuito polarizado Luego tenemos el circuito equivalente de Thévenin, el
con una sola fuente de la Fig. 4. Halle el equivalente de cual se muestra en la Fig. 5(b). Por el teorema de
Thévenin del circuito que alimenta la base. Establezca Thévenin tenemos que
la ecuación para el circuito que polariza la unión
colector-base. Rth = R1 kR2 (2a)
Vth = VR2 (2b)

Además, de las expresiones

IE = IB + IC
IC = β.IB

se deduce que

IE = (1 + β).IB (3a)
 
1
IE = + 1 .IC (3b)
β
Ahora podemos hallar la corriente IB analizando la
Figura 4 primera submalla de la Fig. 5(b). Por la ley de Kirchhoff
tendremos que
El circuito de la Fig. 4 es equivalente al de la Fig. 5(a),
Vth − IB .Rth − VBE − IE .RE = 0
donde V1 = V2 = VCC .
Despejando para IB y reemplazando la variable IE por
(3a) obtenemos la corriente base dada por

Vth − VBE
IB = (4)
Rth + (1 + β)RE

donde Rth y Vth están dados por (2a) y (2b) respectiva-

(a) El circuito de la Fig. 4 puede (b) Circuito equivalente de Théve-
mente. Además, obtenemos IC con
ser representado de esta manera. nin.
IC = β.IB (5)
Figura 5: Circuitos equivalentes.
Similarmente obtenemos VCE de la segunda submalla en
la que tenemos por la ley de Kirchhoff
Aquı́ notamos que la tensión de de entrada al transistor
por B respecto a tierra es la misma que la tensión en R2 , VCC − IC .RC − VCE − IE .RE = 0

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Hecho en LATEX
 “Año de la universalización de la salud”

Despejando VCE y reemplazando la variable IE por (3b)

obtenemos la tensión entre las terminales colector-emisor
dada por
   
1
VCE = VCC − IC RC + 1 + RE (6)
β
2. Con los valores del circuito de la Fig. 8 calcule IB , IC
Figura 7: Sı́mbolo de un optoacoplador.
y VCE , use el β obtenido de las curvas caracterı́sticas,
establezca el punto de operación Q.
Con los valores R1 = 10 kΩ, R2 = 2.2 kΩ, RC = III. P ROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
3.6 kΩ, RE = 1 kΩ y VCC = 18 V calculamos
los valores IB , IC y VCE dados por (4), (5) y (6) Paso 1
respectivamente. Montar el circuito de la Fig. 8. Medir IB , IC , VCE , VBE
Tomaremos a β como el valor calculado para VBB = 5 V y comparar sus resultados con los calculados en la pregunta
(ya que VBB = VR2 ≈ 3.246 V es lo más cercano a un 01. ¿Está el transistor operando en la región de amplificación?
VBB = 5 V que se obtuvo) del laboratorio anterior, es (Los condensadores C1 y C2 se usarán para el acoplamiento
decir, consideramos β = 217.59. de señales de voltaje senoidal). Calcule el β de sus medidas
Entonces reemplazando tenemos aproximadamente realizadas.
Rth = 1.80 kΩ
Vth = 3.25 V
IB = 11.55 µA (7)
IC = 2.51 mA
VCE = 6.43 V
3. ¿Qué es un fototransistor? ¿Qué es un opto acopla-
dor?
Fototransistor: Es un tipo de transistor cuyo funciona-
miento se basa en el efecto fotoeléctrico. Su carac-
terı́stica principal es que la terminal de Base es sensible
a la luz y tiene la capcidad de convertir los fotones
que recibe en tensión eléctrica de baja potencia, pero
capaz de permitir la conducción de corriente entre sus Figura 8: Primer circuito.
terminales colector-emisor proporcionando la ganancia
de corriente tı́pica de cualqueir transistor.
Paso 2
Ingresar una señal de voltaje sinusoidal, Vpe ≤ 0.5 V ,
observar la señales de entrada y salida en el osciloscopio.
Vps
Registrar la ganancia, A = Vpe . Varı́e el voltaje Vpe , mientras
obtenga una señal amplificada en la salida, registre la ganancia.
Dibuje la recta de carga en sus curvas IC vs VCE . Indique el
punto de operación Q.
Figura 6: Sı́mbolo de un fototransistor.
Paso 3
Su uso se restringe generalmente a aplicaciones ON- El circuito de la Fig. 9 muestra un sensor emisor-receptor
OFF y podemos encontrarlo en: mouse, controles de infrarrojo también llamado opto acoplador.
iluminación, lectores de cinta, lápices ópticos, control El diodo led D2 permitirá observar que el fototransistor está
remoto, etc. operativo. Mida el voltaje colector-emisor, VCE , la corriente
Optoacoplador: Un optoacoplador (u optoaislador) es en el emisor IE y VE , voltaje en el emisor (sin led D2 ). ¿Está
un dispositivo que tiene integrado un diodo led, un el fototransistor en la región de saturación? Tape el diodo IR,
fototransistor y entre otros componentes. Actúa como ¿qué observa? ¿Está el fototransistor en corte o en saturación?
un interruptor que es activado mediante una luz infra-
rroja emitida por el diodo led hacia el fototransistor o
cualquier otro dispositivo capaz de detectar los infra-
rrojos. Cuando esta luz es interrumpida o bloqueada
por algún objeto el circuito se abre, actuando como un
interruptor abierto.

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Hecho en LATEX
 “Año de la universalización de la salud”

Paso 3
En este procedimiento medimos la tensión colector-emisor
VCE , la corriente del emisor IE y la tensión en el emisor
(desconectado el led D2 ) VE .

Tabla III: Datos obtenidos del segundo circuito

Medición
VCE 108.146 mV
IE 6.95 mA
VE 4.86 V a
a Con el led conectado 3.36 V .

Figura 9: Segundo circuito

V. C ÁLCULOS Y RESULTADOS
Paso 1
IV. DATOS EXPERIMENTALES
Comparemos las cantidades calculadas de (7) con lo medido
Paso 1 en la Tabla I con su respectivo error
Medimos IB , IC , VCE y VBE en el primer circuito (Fig. 8)
Tabla IV: Comparación del cálculo y mediciones
con indicadores de corriente y voltaje y obtuvimos
Calculado Medido Error ( %)
Tabla I: Mediciones del paso 1
IB (µA) 11.55 11.80 2.17
IB 11.80 µA IC (mA) 2.51 2.56 1.99
IC 2.56 mA VCE (V ) 6.43 6.205 3.50
VCE 6.205 V
VBE 651.221 mV Al calcular β con los valores medidos obtenemos 216.95,
aproximadamente 217.

Paso 2 Paso 2
Vout,max
Conectamos una fuente se señal alterna en Vin del primer Calculamos la ganancia según A = de los datos
Vin,max
circuito y se observaron las señales de entrada y de salida en de la Tabla II.
un osciloscopio
Tabla V: Valores de la ganancia
Tabla II: Mediciones del paso 2
Vin,max (V ) Vout,max (V ) A
Vin,max (V ) Vout,max (V ) 0.5 1.760 3.540
0.5 1.770 0.4 1.410 3.525
0.4 1.410 0.3 1.060 3.533
0.3 1.060 0.2 0.706 3.535
0.2 0.707 0.1 0.353 3.530
0.1 0.353
Ahora hallamos la recta de carga con la ecuación (6), la
cual se puede aproximar a
VCE = VCC − IC (RC + RE ) (8)
ya que β es muy grande (217). Entonces la recta de carga une
los puntos (VCE , IC ) que cortan
 en los ejes, es decir en los
puntos (0, IC  ) y (VCE  , 0).
 
VCE =0 IC =0
Hallamos dicha recta evaluando los puntos mencionados en
(8) y obtenemos que

IC  = 3.91 mA

VCE =0
Figura 10: Señales observadas en el osciloscopio al conectar

VCE  = 18 V

los canales CH1 y CH2 a Vin y Vout respectivamente en el IC =0
circuito de la Fig. 8. La gráfica corresponde a las señales Entonces los puntos que definen la recta de carga en la gráfica
obtenidas cuando Vin = 0.5 V . IC (mA) vs VCE (V ) son (0, 3.91) y (18, 0). Esto se observa
en la Fig. 11.

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Hecho en LATEX
 “Año de la universalización de la salud”

fue de 6.95 mA según la Tabla III (IC ≈ IE ). Esto indica

que la corriente que pasa por el circuito está por encima
del valor de la saturación.
Al tapar el led (simplemente se desconectó) ya no hay
una luz incidente en el fototransistor, por lo que no
hay çorriente base”, aquı́ se observó que dejó de pasar
corriente por el circuito receptor y que la tensión colector-
emisor es de 5 voltios. Esto indica que al apagarse el
circuito emisor, el fototransistor del circuito receptor se
comporta como un circuito abierto.
VII. C ONCLUSIONES
1. Se obtuvo que la ganancia de corriente βcd del primer
circuito (Fig. 8) tiene un valor de 217.
2. El primer circuito (Fig. 8) funciona como un amplificador
Figura 11: Recta de carga de las curvas caracterı́sticas del de tensión cuando se conecta una señal alterna en la entra-
transistor en el circuito de la Fig. 8. da; el valor de la ganancia A es igual a aproximadamente
3.530, variando en milésimas cuando se varı́a el valor
pico de la entrada desde 0.1 a 0.5 voltios.
Paso 3 Además del análisis por medio de la recta de carga se
Para hallar IC,sat (8) cuando VCE = 0 y obtenemos obtiene que transistor 2N2222A es opera en VCE = 6.60,
IC = 2.4751 mA y IB = 11.55 µA aproximadamente
VCC
IC,sat = ≈ 0.5 mA según la Fig. 11.
RC + RE
3. El circuito sensor emisor-receptor tiene una corriente de
VI. D ISCUSI ÓN DE RESULTADOS saturación de 0.5 mA, pero al funcionar se encuentra en
Paso 1 la región activa, pues la corriente emisor es 6.95 mA
(Tabla III).
En la Tabla I observamos las cantidades IB , IC y VCE
Al tapar el diodo emisor de luz IR ya no hay luz que
calculadas y medidas del primer circuito (Fig. 8). Se
active el fototransistor y este actúa como circuito abierto,
obtuvieron valores muy cercanos, llegando a un error
por lo que su punto de operación en tal estado estarı́a en
aceptable de entre 2 a 3 %. Además por la relación entre
la región de corte.
IB y IC se obtiene que la ganancia de corriente βcd es
de 217, el mismo que se habı́a encontrado en el informe R EFERENCIAS
N°11. [1] ON Semiconductor, “P2N2222A datasheet,” Disponible en URL:
https://www.onsemi.com/pub/Collateral/P2N2222A-D.PDF, 2013.
Paso 2 [2] A. P. Malvino and D. J. Bates, Principios de electrónica. McGraw-Hill,
Al conectar una fuente alterna con tensiones pico por 2007.
[3] R. L. Boylestad and L. Nashelsky, Electrónica: teorı́a de circuitos y
debajo de 0.5 voltios en el primer circuito, se obtuvo en dispositivos electrónicos. PEARSON educación, 2009.
la salida una tensión amplificada con un valor ligeramente [4] C. K. Alexander and M. N. Sadiku, Fundamentos de circuitos elétricos.
superior al triple de la entrada, valores registrados en la AMGH Editora, 2013.
Tabla V, donde a pesar de variar la tensión de entrada, la
ganancia se mantiene cercano de 3.53, variando apenas
en milésimas.
En la Fig.11 se tiene las curvas caracterı́sticas del tran-
sistor 2N2222A utilizado en el primer circuito (Fig. 8),
y también la recta de carga correspondiente. Estas dos
gráficas se interceptan en el punto Q (6.6034,2.4751),
lo que se interpreta como: en el punto de operación del
transistor se tiene que la corriente base IB = 11.55 µA, la
corriente colector IC = 2.4751 mA y el voltaje colector-
emisor VCE = 6.6034 V . Esta información deducida de
una simple observación de la Fig. 11 se verifica con los
datos medidos y calculados registrados en la Tabla I.
Paso 3
Se calculó que la corriente de saturación en el circuito de
la Fig. 9 es de 0.5 mA; mientras que la corriente medida

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Hecho en LATEX