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Capítulo 7
El transistor bipolar
7.1. Introducción
Este capítulo no es fácil, pero es posible. Supone adquirir nuevos conceptos, y se ha incluido porque es imprescindible. La mejor recomendación que se puede hacer es la de tomárselo con calma, volvera a atrás cuando algo no esté claro, y prototipar. El lugar privilegiado para aprender electrónica es el banco de trabajo.
Este capítulo está dedicado al transistor bipolar. El apellido indica que existen otros ti- pos de transistores, y así es: tambien se usan los FET^1 de unión (JFET), y los MOSFET^2. Estos otros tipos no serán estudiados en este libro por falta de espacio.
7.1.1. Primera aproximación al transistor
El transistor es un componente electrónico que tiene tres terminales, denominados base , emisor y colector. Los nombres son poco explicativos y su origen se pierde en la niebla de los tiempos remotos.
Su comportamiento básico es el de ser un amplificador de corriente : tiene la capacidad de hacer que la corriente que circula entre el colector y el emisor sea un número grande de veces la que circula entre base y emisor.
Este factor de multiplicación se denomina ganancia , y se representa por
o . Puede
tomar valores de 30 para transistores de alta potencia hasta 500 o más en transistores de baja señal. A pesar de lo que puede parecer, este valor tiene una importancia relativa a causa de la gran dispersión de los valores que alcanza^3 , o incluso de su variabilidad con la corriente de colector. La utilidad de este efecto multiplicador resulta intuitivo: a partir de una señal de baja corriente, como la proporcionada por un micrófono o un receptor de radio, esta puede ser emplificada y lograrse una corriente lo suficientemente grande como para mover un altavoz, aunque para lograr tal objetivo necesitaremos varias etapas.
(^1) FET es un acrónimo de Field Effect Transistor , Transistor de Efecto de Campo. (^2) MOS es un acrónimo de Metal Oxide Semiconductor , que indica la secuencia de elementos usados en su construcción: un transistor realizado como un sandwich de un metal conductor, una película de óxido de Silicio (aislante) y un material semiconductor. (^3) Los antiguos diseñadores inventaron varias configuraciones que resultaban muy tolerantes a la dispersión de la ganancia en corriente. Dicho de otro modo, el transitor, cuando se usa como amplificador, siempre se usa realimentado (ver capítulo 8), estando la ganacia en corriente de alguna forma asociada a la ganancia en lazo abierto.
128 CAPÍTULO 7. EL TRANSISTOR BIPOLAR
Figura 7.1: Funcionamiento básico del transistor bipolar
Figura 7.2: Ejemplo de una red de polarización
Existen dos tipos de transistores bipolares denominados PNP y NPN. Estos nombres provienen del orden en que se disponen las capas semiconductoras que los constituyen. Cada unos de ellos tiene un símbolo diferente, que se muestra en la figura 7.1. Cómo regla nemotécnica podemos usar esta: la flecha PeNetra o NoPeNetra. Estos dos tipos pueden considerarse en muchos aspectos como complementarios.
Hemos de aprender bien los nombres de los terminales y familiarizarnos con la figura 7.1 antes de proseguir si no queremos correr el riesgo de no entender nada.
7.1.2. Consideraciones preliminares sobre la polarización
Veamos un ejemplo antes de seguir. En la figura 7.2 se muestra un generador de señal sinusoidal ( ) que se conecta mediante un condensador ( ) a un divisor resistivo formado por y . El condensador se usa para el acoplo de circuitos. De forma un tanto simplificada, diremos que su misión es la de bloquear el paso de la corriente contínua, permitiendo el paso de la alterna sin atenuación.
Sabemos que la impedancia de un condensador a una frecuencia cero (a corriente con- tínua) es infinita: se comporta como un circuito abierto, cosa que realmente es. Asi- mismo, sabemos que la impedancia del condensador disminuye con la frecuencia... Ya recordamos que este circuito es un filtro paso alto (apartado 2.14). Pero ahora no nos interesa esta función, ya que vamos a usar un condensador de acoplo lo suficiente- mente grande como para que en la banda de trabajo, su impedancia sea despreciable. Por tanto, podemos asimilar el condensador de acoplo como un dispositivo que permite
130 CAPÍTULO 7. EL TRANSISTOR BIPOLAR
verá dos resistencias de 10 K en paralelo, lo que es equivalente a una resistencia de 5 K^5.
Para distinguir el punto de trabajo (señales contínuas) de las excursiones debidas a la señal (señales alternas), se utiliza universalmente la siguiente nomenclatura: mayús- culas para las primeras y minúsculas para las segundas. Por ejemplo, es la tensión de polarización de base e
es la corriente de pequeña señal que circula por la base.
De este modo, podemos considerar que en un punto (x), la tensión o corriente tiene dos componentes: una de polarización y una de baja señal, por ejemplo
Cómo normalmente las excursiones debidas a la señal son pequeñas comparadas a los niveles de polarización, es común hablar de pequeña señal^6. De este modo, se habla de modelo de pequeña señal del transistor o de análisis de pequeña señal.
Es importante determinar o escoger adecuadamente el punto de polarización del tran- sistor pues:
Es el punto de referencia de las tensiones y corriente de un circuito. Corresponde a las tensiones de contínua que se podrían medir en un circuito en ausencia de señal. Si se conecta una señal a la entrada del circuito, nos encontraremos con que en cada punto del mismo, las tensiones varían en torno al anterior punto de trabajo.
Condiciona en comportamiento del circuito: más adelante veremos que alguno de los parámetros del modelo de pequeña señal del transistor dependen de paráme- tros de polarización del mismo.
En breve veremos ejemplos que ilustran todo lo contado, pero si algo no ha quedado claro, debe volverse a estudiar este punto so pena de no comprender casi nada de lo que sigue.
7.1.3. Trabajo lineal o en saturación
El transistor puede trabajar de forma lineal o en saturación :
Lineal: Se dice que un sistema es lineal si ante una señal del doble de amplitud (ya sea tensión o corriente) responde con una señal de salida doble. A una señal mitad, responde con una salida mitad... El uso en modo lineal es el típico de amplificadores, filtros, mezcladores, etc. (^5) Esto nos permitirá calcular la frecuencia de corte del filtro paso alto porque el circuito que resulta es exactamente igual al ya visto. ^ ^
(^) donde R es el paralelo de !#" (^) y !#" . Una década por encima de la frecuencia de corte podemos considerar que el condensador no tiene efecto alguno sobre la señal, ni en atenuación ni en desfasaje. (^6) Esto resultaba especialmente cierto para los viejos circuitos que usaban lámparas termoiónicas, en las que eran normales tensiones de polarización de centenares de voltios. En cualquier caso, los componentes electrónicos son bastante poco lineales. Todo sistema si es tratado con amplitudes pequeñas se comporta de forma razonablemente lineal. En cualquier caso, no debemos ser demasiado rigurosos al respecto de la definición: es muy común que las excursiones de corrientes o tensiones sean tan grandes como las de polarización. Varias técnicas permiten obtener a pesar de todo, respuestas extremadamente lineales.
7.1. INTRODUCCIÓN 131
Saturación: Un sistema alcanza la saturación cuando su comportamiento dista mucho del modo lineal, de modo que incrementos de la señal de entrada apenas producen incrementos de la salida. Un cirtuito cuya misión es encender o no un LED es un circuito que trabaja en saturación: todo lo que nos interesa es encender o apagar completamente una bombilla. Por ejemplo, el inversor que vimos en el capítulo 6, trabaja en saturación.
7.1.4. Polarización del transistor
Para que un transistor pueda funcionar de manera lineal debe ser polarizado adecua- damente. Del mismo modo que para que un diodo semiconductor permita el paso de la corriente debe polarizarse en directo con una tensión de aproximadamente 0,6 Voltios, la polarización de un transistor requiere unas ciertas condiciones.
Dos son las condiciones básicas que deben cumplirse para polarizar un transistor bi- polar:
La tensión base emisor ( ) debe ser polarizada como un diodo. Para no olvi- darnos de cual es la polaridad, podemos recordar que la flecha del símbolo del transistor tiene el mismo significado de un diodo. La corriente de base seguirá una variación exponencial con la tensión muy similar a la de un diodo (ver fig 3.5). La tensión colector-emisor ( ), debe ser superior a un cierto valor. Esta ten- sión mínima se denomina tensión de saturación, . En un transistor NPN, la tensión de colector debe ser siempre superior a la de emisor, y en un PNP, inferior.
Estas dos condiciones se pueden expresar de forma más concreta en dos requisitos:
La tensión base emisor debe estar comprendida entre 0,6 y 0,7 V^7 , con la polaridad adecuada. Si esta condición no se cumple, entonces, la corriente de colector es aproximadamente nula^8. La tensión de colector no está condicionada por el transistor sino por la carga , pero debe ser siempre aproximadamente 0,2 Voltios superior a la de emisor. Si esta condición no se cumple, la corriente de colector no sigue la ley establecida por la ganancia de corriente: no puede crecer más allá de la condición que establece la tensión de saturación.
Se ilustra esta condición con ejemplos en el apartado 7.2.3.
Asimismo, se han de cumplir un par de condiciones adicionales, no estrictamente rela- tivas a la polarización, sino a las tensiones máximas que puede soportar:
Tensión colector-emisor: en la práctica, se debe escoger un transistor que pueda funcionar a la tensión de alimentación del circuito. Es muy conveniente sobredi- mensionar este parámetro para protegernos frente a variaciones de la tensión de alimentación. La tensión inversa máxima que puede soportar la unión base-emisor suele tener un valor bajo. Este requisito debe cuidarse en circuitos de trabajan en conmuta- ción, o cuando hay condensadores en un circuito y se apaga el mismo, los tran- sistores pueden quedar polarizados. Se suele compensar añadiendo astutamente un diodo. En cualquer caso, esto queda fuera del objetivo de este libro^9. (^7) Dependiendo de la corriente de colector. (^8) Según la hoja de características, un máximo de 15nA a 25 oC para " =0 V. (^9) En la fuente de alimentación basada en el 317 , el fabricante especifica en la letra pequeña que deben usarse diodos de protección cuando la tensión de salida es superior a 25 V, pero no es nuestro caso.
7.2. ALGUNOS EJEMPLOS CON TRANSISTORES 133
Figura 7.5: Fotografía de transistores
7.1.6. Una hoja de características
En las figuras 7.6 a 7.8 se muestran hojas de características de la familia BC546, BC547 y BC548. Se trata de una hoja más bien resumida, en la que podemos estudiar parámetros de gran interés.
En la figura 7.6 se presenta un dibujo del encapsulado que muestra la asignación de pines, el valor de la resistencia térmica, los parámetros límite y por último, parámetros del transistor en corte. Son especialmente importantes los de corriente y potencia límite, y tensiones de colector máximas.
En la figura 7.7 se muestran parámetros del transistor en saturación y parámetros rela- tivos al modelo de pequeña señal. Respecto a los primeros, resalta la tensión colector-
emisor de saturación ( ), y respecto a los segundos, la ganancia de corriente de
pequeña señal ( ).
Las dos hojas restantes (figura 7.8 y 7.9) se dedican a gráficas. Algunos datos intere- santes:
Gráfica superior izquierda de las figuras 7.8 y 7.9: variación de la ganancia ( )
con la corriente de colector.
Gráfica superior izquierda de las figuras 7.8 y 7.9: tensiones colector-emisor ( )
y base-emisor ( ) en saturación
Gráfica inferior derecha de las figuras 7.8 y 7.9: existe una corriente de colector que maximiza la velocidad del dispositivo.
Recomendamos no perder demasiado tiempo en tratar de agotar los asuntos no expli- cados, pues no son relevantes para la mayor parte de las aplicaciones.
7.2. Algunos ejemplos con transistores
Es muy probable que, llegados a este punto, tengamos la cabeza a punto de estallar. Es el momento de pasar a unos ejemplos sencillos que permitan asimilar conceptos.
7.2.1. Regulador lineal con diodo Zener
En la figura 7.10 se muestra el esquema de un regulador lineal serie (ver apartado 4.1.2). El regulador usa un diodo Zener, y es el mismo esquema de la figura 4.2, al que se ha añadido un transistor. Se ha producido un cambio sustancial: el transistor es el encargado de ofrecer la corriente a la salida, mientras que el diodo Zener no soporta esta pesada carga, sino únicamente la polarización del transistor.
134 CAPÍTULO 7. EL TRANSISTOR BIPOLAR
Motorola Small–Signal Transistors, FETs and Diodes Device Data 1
NPN Silicon
MAXIMUM RATINGS Rating Symbol
BC 546 BC 547 BC (^548) Unit Collector – Emitter Voltage VCEO 65 45 30 Vdc Collector – Base Voltage VCBO 80 50 30 Vdc Emitter – Base Voltage VEBO 6.0 Vdc Collector Current — Continuous IC 100 mAdc Total Device Dissipation @ TA = 25°C Derate above 25°C
PD 625
mW mW/°C Total Device Dissipation @ TC = 25°C Derate above 25°C
PD 1. 12
Watt mW/°C Operating and Storage Junction Temperature 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
ELECTRICAL CHARACTERISTICS (TA = 25°C unless otherwise noted) Characteristic Symbol Min Typ Max Unit OFF CHARACTERISTICS Collector – Emitter Breakdown Voltage BC (IC = 1.0 mA, IB = 0) BC BC
V(BR)CEO 65 45 30
— — —
— — —
V
Collector – Base Breakdown Voltage BC (IC = 100 μAdc) BC BC
V(BR)CBO 80 50 30
— — —
— — —
V
Emitter – Base Breakdown Voltage BC
(IE = 10 A, IC = 0) BC
BC
V(BR)EBO 6.
— — —
— — —
V
Collector Cutoff Current (VCE = 70 V, VBE = 0) BC (VCE = 50 V, VBE = 0) BC (VCE = 35 V, VBE = 0) BC (VCE = 30 V, TA = 125°C) BC546/547/
ICES — — — —
—
15 15 15
nA μA
Order this document by BC546/D
SEMICONDUCTOR TECHNICAL DATA
CASE 29–04, STYLE 17 TO–92 (TO–226AA)
(^1 ) 3
Motorola, Inc. 1996
COLLECTOR 1 2 BASE 3 EMITTER
REV 1
Figura 7.6: Hoja de características del BC546-BC548 (1 de 4)
136 CAPÍTULO 7. EL TRANSISTOR BIPOLAR
Motorola Small–Signal Transistors, FETs and Diodes Device Data 3
Figure 1. Normalized DC Current Gain
IC, COLLECTOR CURRENT (mAdc)
Figure 2. “Saturation” and “On” Voltages
IC, COLLECTOR CURRENT (mAdc)
0.20.2 (^) 0.5 1.0 10 20 50 100
Figure 3. Collector Saturation Region
IB, BASE CURRENT (mA) Figure 4. Base–Emitter Temperature Coefficient
IC, COLLECTOR CURRENT (mA)
2.0 5.0 200
0
(^0) 0.02 (^) 0.1 1.0 1020
hFE, NORMALIZED DC CURRENT GAIN
V, VOLTAGE (VOLTS)
VCE, COLLECTOR–EMITTER VOLTAGE (V) VB, TEMPERATURE COEFFICIENT (mV/ C)
°
θ
0.1 0.2 0.30.5 0.71.0 2.0 3.05.07.0 10 20 305070100
0.2 1.0 10 100
TA = 25°C VBE(sat) @ IC/IB = 10
VCE(sat) @ IC/IB = 10
VBE(on) @ VCE = 10 V
VCE = 10 V TA = 25°C
TA = 25°C –55°C to +125°C
IC = 50 mA IC = 100 mA
IC = 200 mA IC = 20 mA IC = 10 mA
BC547/BC
Figure 5. Capacitances
VR, REVERSE VOLTAGE (VOLTS)
10
Figure 6. Current–Gain – Bandwidth Product
IC, COLLECTOR CURRENT (mAdc)
1.00.4 (^) 0.6 1.0 2.0 6.0 10 20 40
80 100
200
300
400
60
20
40 30
0.50.7 1.0 2.0 3.0 5.07.0 10 20 30 50
VCE = 10 V TA = 25°C
C, CAPACITANCE (pF)
0.8 4.0 8.0 f , CURRENT–GAIN – BANDWIDTH PRODUCT (MHz)T
TA = 25°C
Cob
Cib
Figura 7.8: Hoja de características del BC546-BC548 (3 de 4)
7.2. ALGUNOS EJEMPLOS CON TRANSISTORES 137
4 Motorola Small–Signal Transistors, FETs and Diodes Device Data
BC547/BC
Figure 7. DC Current Gain
IC, COLLECTOR CURRENT (mA) Figure 8. “On” Voltage
IC, COLLECTOR CURRENT (mA)
0.1 0.2 1.0 10 100
0.2 1.0 10 200
TA = 25°C VBE(sat) @ IC/IB = 10
VCE(sat) @ IC/IB = 10
VBE @ VCE = 5.0 V
Figure 9. Collector Saturation Region
IB, BASE CURRENT (mA) Figure 10. Base–Emitter Temperature Coefficient
IC, COLLECTOR CURRENT (mA)
–1.
(^0) 0.02 (^) 0.1 1.0 10 20
VCE, COLLECTOR–EMITTER VOLTAGE (VOLTS) VB, TEMPERATURE COEFFICIENT (mV/
C)°
θ 0.2 1.0 2.0 10 200
TA = 25°C
50 mA^ 200 mA
IC = 10 mA
hFE, DC CURRENT GAIN (NORMALIZED)
V, VOLTAGE (VOLTS)
VCE = 5 V TA = 25°C
(^0) 0.5 2.0 5.0 20 50 100
0.05 0.2 0.5 2.0 5.
20 mA^ 100 mA
–1. –1. –2. –2. –3.0 (^) 0.5 5.0 20 50 100
–55°C to 125°C
θVB for VBE
BC
Figure 11. Capacitance
VR, REVERSE VOLTAGE (VOLTS)
40
Figure 12. Current–Gain – Bandwidth Product
IC, COLLECTOR CURRENT (mA)
2.00.1 (^) 0.2 1.0 2.0 10 50 100
100
200
500
50 20
20
10
1.0 5.0 10 50 100
VCE = 5 V TA = 25°C
C, CAPACITANCE (pF)
f , CURRENT–GAIN – BANDWIDTH PRODUCTT 0.5 5.0 20
TA = 25°C
Cob
Cib
Figura 7.9: Hoja de características del BC546-BC548 (4 de 4)
7.2. ALGUNOS EJEMPLOS CON TRANSISTORES 139
Figura 7.12: Ejemplo de un transistor para encendido de un LED
Podemos aproximar:
Podemos preguntarnos cuánto de buena es esta aproximación:
la corriente de emisor y la de colector no son iguales, pero si la ganancia de co- rriente es grande (>20) el error es muy pequeño.
Estamos asumiendo que es constante, pero depende de la temperatura y de la corriente de base.
Cuanto más grande sea comparado con , más estable será el circuito frente a variaciones de temperatura.
Existen fuentes de corriente algo más complejas que son mucho más independientes a variaciones de la temperatura, de la carga, de la tensión de colector, etc. Sin embargo la fuente mostrada en la figura 7.11 se usa con notable asiduidad por su simplicidad y efectividad.
7.2.3. Uso del transistor en conmutación
Hasta el momento hemos establecido las condiciones para que un transistor trabaje de manera lineal. Sin embargo, esta no es la única forma útil de usar un transistor^12 , pues en ocasiones es muy útil hacerlo trabajar en dos extremos: en saturación y en corte.
Saturación: la corriente de colector es tan alta, que la tensión colector-emisor se hace muy baja, alcanzando la tensión de saturación, por la cual la corriente no puede crecer ya más.
Corte: la unión base-emisor no se polariza adecuandamente, y del mismo modo que sucede en un diodo, la corriende de base es muy baja, y por ende, la de colector.
En la figura 7.12 se muestra un ejemplo en el que se utiliza un transistor para el encendido de un LED, que necesita una corriente de control mucho más baja que la
(^12) La mayor parte de las tecnologías empleadas en electrónica digital, aunque no todas, utilizan los transis- tores en conmutación.
140 CAPÍTULO 7. EL TRANSISTOR BIPOLAR
Figura 7.13: Ejemplos de uso del transistor en conmutación, como controlador de luz
Figura 7.14: Célula fotoeléctrica (LDR)
del diodo luminoso^13. Se trata de un circuito que tiende a dar un un todo o nada pues pasar de 0,6 a 0,7 Voltios en la entrada de control permite pasar de un LED apagado a un estado muy brillante. Este circuito trabaja en saturación ( ) de aproximadamente 0,2 Voltios.
Circuitos como los mostrados son frecuentes en electrónica digital y en los mandos a distancia por infrarrojos (en cuyo caso el LED no es de un color visible, sino infrarrojo).
En la figura 7.13 se muestran varios ejemplos de uso de un transistor en conmutación, que utilizan una célula fotoeléctrica^14 como sensor de luz (ver figura 7.14). Estos ejem- plos usan un LED para mostrar el resultado de la conmutación, pero en su lugar se puede usar de igual modo una gran variedad de dispositivos (e.g. un relé para conmutar una farola, levantar una barrera, etc).
El ejemplo de la figura 7.13-A conecta la célula a la base del transistor. En oscuridad, la célula presenta una resistividad muy alta, por lo que la corriente de base es muy baja, y la de colector tambien lo es, no siendo suficiente para iluminar el LED. Conforme aumenta la luz incidente en la LDR, y dependiendo de la ganancia del transistor, se irá incrementando la corriente de colector, el LED luce con más y más intensidad. Al mismo tiempo, irá bajando la tensión de colector, hasta el momento en el que el transistor se satura y por más luz que incida en la célula la corriente que circula por el LED no crece. Este circuito tiene varias limitaciones: el ajuste es difícil, depende mucho de la ganancia del transistor y la conmutación es muy gradual.
En el ejemplo B, hacemos uso de un divisor resistivo, que permite un ajuste fino del punto de conmutación: conforme la luz aumenta, lo hace la tensión de base, y por
(^13) En el oscilador de relajación utilizamos varias puertas en paralelo para no cargar el oscilador. La opción que se presenta es una alternativa, cuando no disponemos gratis de aquella opción. (^14) Una célula fotoeléctrica es un dispositivo cuya resistencia depende de la luz que incide en ella, por lo que tambien reciben el nombre de LDR, Light Dependent Resistor , resistencia dependiente de la luz. No confundir con una célula fotovoltaica que funciona como generador de corriente en presencia de luz.
142 CAPÍTULO 7. EL TRANSISTOR BIPOLAR
Los valores^18 que toman estas constantes son bastante independientes de la tecnología de fabricación y son:
(7.1)
^
donde:
K es la constante de Boltzmann, que vale ^
T es la temperatura absoluta, y en condiciones normales se hacen cálculos a 300 oK (27oC)
q es la carga del electrón, que vale ^ A/s
Por tanto,
(7.3)
^
a una temperatura de 27 oC. Es importante saber que este parámetro varía con la temperatura.
Veamos un simple ejemplo para tener conciencia de los órdenes de magnitud en los que nos movemos. Si
(^) (^) , entonces (^)
!"$#^.
Observemos que diferente es el modelo de pequeña señal de la definición inicial del transistor. Habíamos definido el transistor como un elemento que multiplica la corriente de base en el terminal de colector, y así lo confirma la gráfica superior izquierda de la figura 7.7. Asimismo, la corriente de base sigue una relación exponencial con la tensión base-emisor. Sin embargo, el modelo de pequeña señal del transistor establece una relación lineal entre la tensión base-emisor y la corriente de colector. No hay misterio alguno. Las primeras definiciones permiten un modelo en el que se producen grandes excursiones en las tensiones de base. El modelo de pequeña señal, es más adecuado para pequeñas variaciones.
7.4. Funcionamiento en pequeña señal
7.4.1. Ejemplo 1: Transistor en emisor común
Consideremos el ejemplo de la figura 7.16. Este amplificador utiliza una topología que se denomina emisor común , ya que el emisor es común a la entrada y la salida: es la referencia del circuito.
Hemos de analizar el circuito en varias etapas: primero la polarización y luego el aná- lisis en baja señal. Por último, sería conveniente analizar los márgenes en los que el amplificador funcionará de manera lineal: su margen dinámico.
(^18) Fijemonos que las corrientes se refieren a las de polarización, y que queda implícito que las corriente debida a la señal tiene un valor despreciable respecto a la de polarización. Por esto se habla de modelo de baja señal.
7.4. FUNCIONAMIENTO EN PEQUEÑA SEÑAL 143
Figura 7.16: Amplificador con transistor en emisor común
Figura 7.17: Polarización del circuito de emisor común
7.4.1.1. Polarización
Para el estudio de la polarización, debemos eliminar mentalmente los condensadores, ya que en contínua no dejan pasar la corriente. Nos quedamos con un transistor y cuatro resistencias, aislado del mundo (ver figura 7.17). Las dos resistencias, denomi- nadas Rb1 y Rb2, forman un divisor resistivo que polarizan la base del transistor. Si su selección ha sido cuidadosa, el punto de polarización dependerá del valor de las mismas.
Una vez fijada la tensión de base, queda fijada la tensión de emisor ( ).
En nuestro caso concreto:
^ ^ ^ ^ ^
^ ^
7.4. FUNCIONAMIENTO EN PEQUEÑA SEÑAL 145
Podríamos decir que se trata de una casualidad. Más aún, es una de las pricipales desventajas del circuito: su ganancia depende de la polarización. Al variar la tensión de alimentación (e.g. por desgaste de las pilas o rizado en la alimentación) los parámetros del circuito se ven afectados.
7.4.1.3. Análisis del margen dinámico
Queremos ver cuales son las excursiones máximas de tensión que podemos obtener a la salida del circuito. Para ello, analizaremos la tensión máxima y mínima que puede alacanzar el colector del transistor.
La tensión más baja que se puede obtener a la salida se obtiene cuando el transistor entrega corriente máxima: está saturado. Es decir:
En nuestro caso esto produce una corriente de colector de 1,6 mA, y una tensión de colector de 5,4 Volt.
El otro límite -a tensión más alta- se alcanza si la corriente de colector llega a ser nula, llegando la tensión de salida a ser igual a la de alimentación: 12V, pero nunca más alta.
Resumiendo: podemos obtener tensiones 4 Voltios por encima de la de polarización y unos 2,6 V por debajo. Por ello decimos que el margen dinámico es de 2,6 Voltios de pico. Sinusoides con amplitudes más altas sufrirán el recorte de sus crestas inferiores (ver figura 10.1, ejemplo de señal recortada en una cresta.).
7.4.2. Ejemplo 2: Transistor en emisor común con resistencia de
emisor
El esquema del amplificador en emisor común con resistencia de emisor se muestra en la figura 7.19. Es similar al circuito con emisor común, pero ahora se elimina el condensador de emisor que ponía a masa el emisor del transistor ( ). La polarización del transistor no cambia, como tampoco lo hace el margen dinámico. Cambia el modelo de baja señal, y lo hace mucho, como veremos inmediatamente.
7.4.2.1. Modelo de baja señal
En la figura 7.20 se muestra el modelo de baja señal del amplificador. Vamos a plantear las ecuaciones que lo definen:
La primera de las ecuaciones admite un mayor desarrollo:
146 CAPÍTULO 7. EL TRANSISTOR BIPOLAR
Figura 7.19: Esquema del amplificador en emisor común
Figura 7.20: Modelo de baja señal del transistor en emisor común con resistencia de emisor
