práctica 4. transistores laboratorio · 2013. 5. 7. · escuela politécnica superior de elche...
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Componentes Electrónicos
Prácticas - Laboratorio
Práctica 4: Transistores
Escuela Politécnica Superior de Elche Componentes Electrónicos
Área de Tecnología Electrónica
1
Práctica 4: Transistores (Montaje y medida en laboratorio) Índice: 1. Material de prácticas
2. El transistor BJT en continua. Polarización
2.1. Circuito autopolarizado
2.2. Circuito de polarización con tensión de base
3. El transistor BJT como amplificador
3.1. Circuito amplificador en Emisor Común
3.2. Circuito amplificador en Colector Común
Anexo. Hoja de características del transistor P2N2222
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En esta práctica se abordará el montaje y medida de circuitos con transistores BJT. Para ello, se hará uso del siguiente instrumental, disponible en el laboratorio de electrónica básica:
- Fuentes de tensión. - Multímetros digitales (voltímetro y amperímetro). - Generador de señal. - Osciloscopio
En el primer apartado, se analizarán dos de los circuitos de polarización más utilizados en amplificadores (circuito autopolarizado y circuito polarizado con tensión de base), evaluando las distintas zonas de funcionamiento de los transistores en función de las tensiones y resistencias del circuito de polarización. En el segundo apartado se abordará el montaje y medida de circuitos amplificadores con transistores BJT. En particular se obtendrán los principales parámetros de un amplificador en emisor común con resistencia de emisor parcialmente desacoplada y, posteriormente, de un amplificador configurado en colector común. Antes de empezar la práctica, el alumno debe leerse la hoja de características del transistor que se va a utilizar en la misma (2N2222), especialmente la asignación de pines del transistor. El datasheet se encuentra en un anexo al final de la práctica. 1. Material de prácticas El material necesario para el desarrollo de la práctica es el siguiente:
- Placa de inserción. - Resistencias: 47! (2); 180!; 150!; 330!; 820! (2); 1k!; 2k2!; 5k6!. - Condensadores: 100µF (3). - Transistor BJT: NPN P2N2222.
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2. El transistor BJT en continua. Polarización 2.1. Circuito autopolarizado El objetivo de este apartado es el montaje y medida del circuito mostrado en la figura 1. Se trata de un circuito con transistor BJT autopolarizado.
Figura 1. Circuito autopolarizado con transistor BJT NPN
Monte en la placa de inserción el circuito autopolarizado de la figura 1. Antes de conectar la alimentación del circuito asegúrese de que el transistor esté bien montado, es decir compruebe la asignación de los pines.
a) Con la ayuda de los amperímetros y los voltímetros de que dispone en su puesto de trabajo rellene la siguiente tabla. Recuerde que la tensión se mide en paralelo y la corriente en serie.
b) Cambie la resistencia R2 del circuito por los valores que se detallan en la siguiente tabla y mida el resto de parámetros que le piden en la misma. Justifique los resultados obtenidos.
Q1
Q2N2222
R1
5k6
RC
820
R2
820
RE
180
0
12V
IB IC IE VCE VBE VBC ! Reg. Oper.
R2 IB IC VBE VCE ! Reg. Oper.
330!
2k2!
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2.1. Circuito de polarización con tensión de base Monte en la placa de inserción el circuito de polarización de transistor con fuente de tensión en la base que se muestra en la figura 2.
Figura 2. Circuito de polarización con tensión de base
a) Rellene la siguiente tabla, midiendo los distintos parámetros del transistor para cada uno de los valores de tensión VB que se indican.
Cambie la fuente de continua VB por una tensión senoidal de 1V de amplitud, frecuencia 1kHz y valor medio no nulo de 0.7V (ajustar el offset del generador de funciones). Compruebe en vacío (conectando directamente el generador de funciones al osciloscopio) que la salida del generador es la correcta.
b) Conecte la señal senoidal al circuito y mida con el osciloscopio la tensión de entrada (mídala de nuevo, pues será distinta a la obtenida en vacío) y la tensión de salida (tensión en el colector). Represente ambas señales en la gráfica adjunta. Justifique las formas de onda obtenidas.
Q1
Q2N2222
VB
00
RB
5k6
RC
2k2
5V
VB IB IC VCE VBE VBC Reg. Oper.
0.5V
0.7V
1V
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2. El transistor BJT como amplificador En este apartado analizaremos el funcionamiento el funcionamiento del transistor BJT como componente principal de un circuito amplificador. Para ello se medirán los principales parámetros del amplificador, como son la ganancia en tensión, la ganancia en intensidad, la impedancia de entrada y la impedancia de salida. Este análisis se realizará tanto para un amplificador en configuración de emisor común como para un amplificador en colector común. 3.1. Circuito amplificador en Emisor Común Considere el circuito amplificador en emisor común con resistencia parcialmente desacoplada que se muestra en la figura 3. La tensión de entrada es una señal senoidal con una amplitud de 150mV y una frecuencia de 1kHz (offset nulo).
Figura 3. Circuito amplificador en emisor común con RE parcialmente desacoplada
Monte el circuito de la figura 3 en la placa de inserción y ajuste la señal de entrada en vacío (conecte directamente la salida del generador de funciones al osciloscopio) Realice las siguientes medidas, orientadas a la obtención de los parámetros del amplificador.
a) Ganancia de Tensión. Conecte la señal de entrada al amplificador. Conecte el canal 1 del osciloscopio a la entrada del amplificador y el canal 2 a la salida del mismo. Mida la amplitud y fase de ambas tensiones. Obtenga la ganancia de tensión como el cociente de la tensión de salida entre la tensión de entrada.
vin= v0= Av=
R2
820
0
R1
5k6
RL1k
C1
100u
12V
0
C3
100u
v oQ1
Q2N2222
RE1
47
RE2
150
v in
C2
100u
RC
820
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b) Impedancia de entrada. Para medir la impedancia de entrada necesitamos medir la tensión de entrada y la intensidad de entrada del amplificador. Esto último supone un problema, ya que el osciloscopio únicamente mide tensión. Para poder medir esta intensidad, conectaremos una resistencia externa conocida (en este caso de 47!) entre el punto de entrada del amplificador y la fuente de entrada. Conocida la tensión en ambos bornes de esta nueva resistencia podemos determinar la intensidad de entrada, que junto con la tensión de entrada (mídala de nuevo, ya que habrá cambiado respecto al punto anterior) nos proporcionan la impedancia de entrada. Recuerde que al medir la tensión con el osciloscopio, forzosamente el terminal negro de cada uno de los canales tiene que estar conectado a la tierra del circuito.
Figura 4. Esquema para el cálculo de la impedancia de entrada del amplificador
iin= vin= Zin=
c) Ganancia de corriente Para obtener este parámetro necesitamos la intensidad de entrada y la de salida. Para poder obtener la intensidad de entrada, mantenemos el montaje del punto anterior con la resistencia externa de 47! conectada a la entrada del amplificador. La corriente de salida la podemos obtener a partir de la tensión de la impedancia de carga y teniendo en cuenta el valor de ésta (1k!).
iin= i0= Ai=
d) Impedancia de salida. Para obtener este parámetro, seguiremos los mismos pasos que en teoría, es decir, eliminaremos las fuentes independientes del circuito (fuente de tensión de entrada) y conectaremos una fuente de test a la salida del amplificador (sin la resistencia de carga). Obteniendo la tensión y la corriente de esta fuente tendremos la impedancia de salida. Para obtener la intensidad de la fuente de test conectaremos una resistencia externa entre la fuente y la salida del amplificador (ver circuito de la figura 5). La fuente de test tendrá las mismas características (amplitud y frecuencia) que la tensión de entrada del amplificador.
v gZin
47 v invA AMPLIFICADOR
iin
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Figura 5. Circuito para la obtención de la impedancia de salida del amplificador
iout= vout= Zout= Considere de nuevo el circuito amplificador con resistencia de emisor parcialmente desacoplada mostrado en la figura 3. Sustituya la resistencia R2 del amplificador por una resistencia de 330!. Mida la tensión de entrada y de salida y represéntelas en la siguiente gráfica. Indique la región de funcionamiento del amplificador y justifique los resultados obtenidos. Región de funcionamiento:
Zoutv t
47v in
0
vout
00
AMPLIFICADOR
iout
vt
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Sustituya la resistencia R2 del amplificador por una resistencia de valor 2.2k!. Dibuje de nueva las tensiones de entrada y salida del circuito. Indique la región de funcionamiento del amplificador y justifique los resultados. Región de funcionamiento: 3.2. Circuito amplificador en Colector Común En este último apartado de la práctica mediremos y analizaremos los parámetros de un amplificador basado en transistor con configuración de colector común. Se trata del circuito que se muestra en la figura 6, donde el circuito de polarización es el mismo que el utilizado en el apartado anterior. Monte el circuito en la placa de pruebas y ajuste midiendo en vacío una tensión de entrada senoidal de 150mV de amplitud, 1kHz de frecuencia y media nula. Siga las instrucciones dadas en el apartado anterior para la medida y obtención de los parámetros del amplificador y rellene la tabla adjunta.
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Figura 6. Circuito amplificador en colector común
Justifique los resultados obtenidos y compárelos de forma razonada con los que ha obtenido previamente para el amplificador en configuración de emisor común.
RC
820
v in
RE1
47
C3
100u
v out
0
Q1
Q2N2222
0
RE2
150
RL
1k
C2
100uR2
820
R1
5k6
C1
100u
12V
Ganancia de Tensión
vin= vout= Av= Impedancia de Entrada
iin= vin= Zin=
Ganancia de Intensidad
iin= Iout= Ai=
Impedancia de Salida
iout= vout= Zout=
Semiconductor Components Industries, LLC, 2007
April, 2007 -- Rev. 51 Publication Order Number:
P2N2222A/D
P2N2222A
Amplifier TransistorsNPN Silicon
Features
These are Pb--Free Devices*
MAXIMUM RATINGS (TA = 25 C unless otherwise noted)
Characteristic Symbol Value Unit
Collector--Emitter Voltage VCEO 40 Vdc
Collector--Base Voltage VCBO 75 Vdc
Emitter--Base Voltage VEBO 6.0 Vdc
Collector Current -- Continuous IC 600 mAdc
Total Device Dissipation @ TA = 25 CDerate above 25 C
PD 6255.0
mWmW/ C
Total Device Dissipation @ TC = 25 CDerate above 25 C
PD 1.512
WmW/ C
Operating and Storage JunctionTemperature Range
TJ, Tstg --55 to+150
C
THERMAL CHARACTERISTICS
Characteristic Symbol Max Unit
Thermal Resistance, Junction to Ambient R JA 200 C/W
Thermal Resistance, Junction to Case R JC 83.3 C/W
Stresses exceeding Maximum Ratings may damage the device. MaximumRatings are stress ratings only. Functional operation above the RecommendedOperating Conditions is not implied. Extended exposure to stresses above theRecommended Operating Conditions may affect device reliability.
*For additional information on our Pb--Free strategy and soldering details, pleasedownload the ON Semiconductor Soldering and Mounting TechniquesReference Manual, SOLDERRM/D.
http://onsemi.com
P2N2222ARL1G TO--92(Pb--Free)
5000 Units/Bulk
Device Package Shipping�†
P2N2222AG TO--92(Pb--Free)
2000/Tape & Ammo
ORDERING INFORMATION
COLLECTOR1
2BASE
3EMITTER
�†For information on tape and reel specifications,including part orientation and tape sizes, pleaserefer to our Tape and Reel Packaging SpecificationBrochure, BRD8011/D.
1 2312
BENT LEADTAPE & REELAMMO PACK
STRAIGHT LEADBULK PACK
3
TO--92CASE 29STYLE 17
MARKING DIAGRAM
P2N2222A
AYWW G
G
A = Assembly LocationY = YearWW = Work WeekG = Pb--Free Package
(Note: Microdot may be in either location)
P2N2222A
http://onsemi.com2
ELECTRICAL CHARACTERISTICS (TA = 25 C unless otherwise noted)
Characteristic Symbol Min Max Unit
OFF CHARACTERISTICS
Collector--Emitter Breakdown Voltage(IC = 10 mAdc, IB = 0)
V(BR)CEO40 --
Vdc
Collector--Base Breakdown Voltage(IC = 10 mAdc, IE = 0)
V(BR)CBO 75--
Vdc
Emitter--Base Breakdown Voltage(IE = 10 mAdc, IC = 0)
V(BR)EBO6.0 --
Vdc
Collector Cutoff Current(VCE = 60 Vdc, VEB(off) = 3.0 Vdc)
ICEX-- 10
nAdc
Collector Cutoff Current(VCB = 60 Vdc, IE = 0)(VCB = 60 Vdc, IE = 0, TA = 150 C)
ICBO----
0.0110
mAdc
Emitter Cutoff Current(VEB = 3.0 Vdc, IC = 0)
IEBO--
10 nAdc
Collector Cutoff Current(VCE = 10 V)
ICEO-- 10
nAdc
Base Cutoff Current(VCE = 60 Vdc, VEB(off) = 3.0 Vdc)
IBEX-- 20
nAdc
ON CHARACTERISTICS
DC Current Gain(IC = 0.1 mAdc, VCE = 10 Vdc)(IC = 1.0 mAdc, VCE = 10 Vdc)(IC = 10 mAdc, VCE = 10 Vdc)(IC = 10 mAdc, VCE = 10 Vdc, TA = --55 C)(IC = 150 mAdc, VCE = 10 Vdc) (Note 1)(IC = 150 mAdc, VCE = 1.0 Vdc) (Note 1)(IC = 500 mAdc, VCE = 10 Vdc) (Note 1)
hFE355075351005040
--------300----
--
Collector--Emitter Saturation Voltage (Note 1)(IC = 150 mAdc, IB = 15 mAdc)(IC = 500 mAdc, IB = 50 mAdc)
VCE(sat)----
0.31.0
Vdc
Base--Emitter Saturation Voltage (Note 1)(IC = 150 mAdc, IB = 15 mAdc)(IC = 500 mAdc, IB = 50 mAdc)
VBE(sat)0.6--
1.22.0
Vdc
SMALL--SIGNAL CHARACTERISTICS
Current--Gain -- Bandwidth Product (Note 2)(IC = 20 mAdc, VCE = 20 Vdc, f = 100 MHz)C
fT300 --
MHz
Output Capacitance(VCB = 10 Vdc, IE = 0, f = 1.0 MHz)
Cobo-- 8.0
pF
Input Capacitance(VEB = 0.5 Vdc, IC = 0, f = 1.0 MHz)
Cibo-- 25
pF
Input Impedance(IC = 1.0 mAdc, VCE = 10 Vdc, f = 1.0 kHz)(IC = 10 mAdc, VCE = 10 Vdc, f = 1.0 kHz)
hie2.00.25
8.01.25
k
Voltage Feedback Ratio(IC = 1.0 mAdc, VCE = 10 Vdc, f = 1.0 kHz)(IC = 10 mAdc, VCE = 10 Vdc, f = 1.0 kHz)
hre----
8.04.0
X 10--4
Small--Signal Current Gain(IC = 1.0 mAdc, VCE = 10 Vdc, f = 1.0 kHz)(IC = 10 mAdc, VCE = 10 Vdc, f = 1.0 kHz)
hfe5075
300375
--
Output Admittance(IC = 1.0 mAdc, VCE = 10 Vdc, f = 1.0 kHz)(IC = 10 mAdc, VCE = 10 Vdc, f = 1.0 kHz)
hoe5.025
35200
mMhos
Collector Base Time Constant(IE = 20 mAdc, VCB = 20 Vdc, f = 31.8 MHz)
rb Cc-- 150
ps
Noise Figure(IC = 100 mAdc, VCE = 10 Vdc, RS = 1.0 k , f = 1.0 kHz)
NF-- 4.0
dB
1. Pulse Test: Pulse Width 300 ms, Duty Cycle 2.0%.2. fT is defined as the frequency at which |hfe| extrapolates to unity.
P2N2222A
http://onsemi.com3
ELECTRICAL CHARACTERISTICS (TA = 25 C unless otherwise noted) (Continued)
Characteristic Symbol Min Max Unit
SWITCHING CHARACTERISTICS
Delay Time (VCC = 30 Vdc, VBE(off) = --2.0 Vdc,IC = 150 mAdc, IB1 = 15 mAdc) (Figure 1)
td -- 10 ns
Rise Time tr -- 25 ns
Storage Time (VCC = 30 Vdc, IC = 150 mAdc,IB1 = IB2 = 15 mAdc) (Figure 2)
ts -- 225 ns
Fall Time tf -- 60 ns
Figure 1. Turn--On Time Figure 2. Turn--Off Time
SWITCHING TIME EQUIVALENT TEST CIRCUITS
Scope rise time < 4 ns*Total shunt capacitance of test jig,connectors, and oscilloscope.
+16 V
--2 V< 2 ns
0
1.0 to 100 ms,DUTY CYCLE 2.0%
1 k
+30 V
200
CS* < 10 pF
+16 V
--14 V0
< 20 ns
1.0 to 100 ms,DUTY CYCLE 2.0%
1 k
+30 V
200
CS* < 10 pF
--4 V
1N914
1000
10
20
30
5070100
200
300
500700
1.0 k0.1 0.2 0.3 0.5 0.7 1.0 2.0 3.0 5.0 7.0 10 20 30 50 70 100 200 300 500 700IC, COLLECTOR CURRENT (mA)
h FE,DC
CURRENTGAIN
TJ = 125 C
25 C
--55 C
VCE = 1.0 VVCE = 10 V
Figure 3. DC Current Gain
P2N2222A
http://onsemi.com4
V CE,CO
LLECTOR--EMITTERVOLTAGE(VOLTS) 1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
00.005 0.01 0.02 0.03 0.05 0.1 0.2 0.3 0.5 1.0 2.0 3.0 5.0 10 20 30 50
IB, BASE CURRENT (mA)
Figure 4. Collector Saturation Region
TJ = 25 C
IC = 1.0 mA 10 mA 150 mA 500 mA
Figure 5. Turn--On Time
IC, COLLECTOR CURRENT (mA)
70100
200
50
t,TIME(ns)
10 20 70
5.0
1005.0 7.0 30 50 200
10
30
7.0
20
IC/IB = 10TJ = 25 C
tr @ VCC = 30 Vtd @ VEB(off) = 2.0 Vtd @ VEB(off) = 0
3.0
2.0300 500
500
t,TIME(ns)
5.07.010
20
30
5070100
200
300
Figure 6. Turn--Off Time
IC, COLLECTOR CURRENT (mA)10 20 70 1005.0 7.0 30 50 200 300 500
VCC = 30 VIC/IB = 10IB1 = IB2TJ = 25 C
t s = ts -- 1/8 tf
tf
Figure 7. Frequency Effects
f, FREQUENCY (kHz)
4.0
6.0
8.0
10
2.0
0.1
Figure 8. Source Resistance Effects
RS, SOURCE RESISTANCE (OHMS)
NF,NOISEFIGURE(dB)
1.0 2.0 5.0 10 20 500.2 0.50
100
NF,NOISEFIGURE(dB)
0.01 0.02 0.05
RS = OPTIMUMRS = SOURCERS = RESISTANCE
IC = 1.0 mA, RS = 150500 mA, RS = 200100 mA, RS = 2.0 k50 mA, RS = 4.0 k
f = 1.0 kHz
IC = 50 mA100 mA500 mA1.0 mA
4.0
6.0
8.0
10
2.0
050 100 200 500 1.0 k 2.0 k 5.0 k 10 k 20 k 50 k 100 k
P2N2222A
http://onsemi.com5
Figure 9. Capacitances
REVERSE VOLTAGE (VOLTS)
3.0
5.0
7.0
10
2.00.1
CAPACITANCE(pF)
1.0 2.0 3.0 5.0 7.0 10 20 30 500.2 0.3 0.5 0.7
Ccb
20
30
Ceb
Figure 10. Current--Gain Bandwidth Product
IC, COLLECTOR CURRENT (mA)
70
100
200
300
50
500
f T,CURRENT--GAINBANDWIDTH
PRODUCT
(MHz)
1.0 2.0 3.0 5.0 7.0 10 20 30 50 70 100
VCE = 20 VTJ = 25 C
Figure 11. �“On�” Voltages
IC, COLLECTOR CURRENT (mA)
0.4
0.6
0.8
1.0
0.2
V,VOLTAGE(VOLTS)
0
TJ = 25 C
VBE(sat) @ IC/IB = 10
VCE(sat) @ IC/IB = 10
VBE(on) @ VCE = 10 V
Figure 12. Temperature Coefficients
IC, COLLECTOR CURRENT (mA)
--0.5
0
+0.5CO
EFFICIENT(mV/
C)
--1.0
--1.5
--2.5
R VC for VCE(sat)
R VB for VBE
0.1 1.0 2.0 5.0 10 20 500.2 0.5 100 200 500 1.0 k
1.0 V
--2.0
0.1 1.0 2.0 5.0 10 20 500.2 0.5 100 200 500
P2N2222A
http://onsemi.com6
PACKAGE DIMENSIONS
TO--92 (TO--226)CASE 29--11ISSUE AM
NOTES:1. DIMENSIONING AND TOLERANCING PER ANSI
Y14.5M, 1982.2. CONTROLLING DIMENSION: INCH.3. CONTOUR OF PACKAGE BEYOND DIMENSION R
IS UNCONTROLLED.4. LEAD DIMENSION IS UNCONTROLLED IN P AND
BEYOND DIMENSION K MINIMUM.
R
A
P
J
L
B
K
GH
SECTION X--XCV
D
N
N
X X
SEATINGPLANE DIM MIN MAX MIN MAX
MILLIMETERSINCHES
A 0.175 0.205 4.45 5.20B 0.170 0.210 4.32 5.33C 0.125 0.165 3.18 4.19D 0.016 0.021 0.407 0.533G 0.045 0.055 1.15 1.39H 0.095 0.105 2.42 2.66J 0.015 0.020 0.39 0.50K 0.500 ------ 12.70 ------L 0.250 ------ 6.35 ------N 0.080 0.105 2.04 2.66P ------ 0.100 ------ 2.54R 0.115 ------ 2.93 ------V 0.135 ------ 3.43 ------1
NOTES:1. DIMENSIONING AND TOLERANCING PER
ASME Y14.5M, 1994.2. CONTROLLING DIMENSION: MILLIMETERS.3. CONTOUR OF PACKAGE BEYOND
DIMENSION R IS UNCONTROLLED.4. LEAD DIMENSION IS UNCONTROLLED IN P
AND BEYOND DIMENSION K MINIMUM.
RA
P
J
B
K
G
SECTION X--XC
V
D
N
X X
SEATINGPLANE DIM MIN MAX
MILLIMETERS
A 4.45 5.20B 4.32 5.33C 3.18 4.19D 0.40 0.54G 2.40 2.80J 0.39 0.50K 12.70 ------N 2.04 2.66P 1.50 4.00R 2.93 ------V 3.43 ------
1
T
STRAIGHT LEADBULK PACK
BENT LEADTAPE & REELAMMO PACK
STYLE 17:PIN 1. COLLECTOR
2. BASE3. EMITTER
ONSemiconductor and are registered trademarks of Semiconductor Components Industries, LLC (SCILLC). SCILLC reserves the right to make changes without further noticeto any products herein. SCILLCmakes nowarranty, representation or guarantee regarding the suitability of its products for any particular purpose, nor doesSCILLCassume any liabilityarising out of the application or use of any product or circuit, and specifically disclaims any and all liability, including without limitation special, consequential or incidental damages.�“Typical�” parameters which may be provided in SCILLC data sheets and/or specifications can and do vary in different applications and actual performance may vary over time. Alloperating parameters, including �“Typicals�”must be validated for each customer application by customer�’s technical experts. SCILLCdoes not convey any license under its patent rightsnor the rights of others. SCILLC products are not designed, intended, or authorized for use as components in systems intended for surgical implant into the body, or other applicationsintended to support or sustain life, or for any other application in which the failure of the SCILLC product could create a situation where personal injury or death may occur. ShouldBuyer purchaseor useSCILLCproducts for any such unintendedor unauthorized application, Buyer shall indemnify andholdSCILLCand its officers, employees, subsidiaries, affiliates,and distributors harmless against all claims, costs, damages, and expenses, and reasonable attorney fees arising out of, directly or indirectly, any claim of personal injury or deathassociated with such unintended or unauthorized use, even if such claim alleges that SCILLC was negligent regarding the design or manufacture of the part. SCILLC is an EqualOpportunity/Affirmative Action Employer. This literature is subject to all applicable copyright laws and is not for resale in any manner.
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