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NACIONAL DE SALTA
Cátedra: Electrónica Analógica
EL TRANSISTOR BIPOLAR (BJT) – PARTE I: ANÁLISIS EN CC
El transistor npn:
El transistor npn de unión: (a) representación pictórica; (b) símbolo; (c) direcciones de referencia la conexión en base común.
Físicamente, el transistor se compone de tres partes emisor, base y colector, siendo la región de base muy estrecha.
La fuente de tensión VEE polariza directamente la unión p-n, base-emisor y la fuente VCC polariza inversamente la unión colector-base. La polarización directa de la unión base-emisor da lugar a que el emisor inyecte electrones a la base. La mayoría de los electrones atraviesan la estrecha región de base, cruzan la segunda unión y llegan al colector. Esto es debido a la polarización inversa de la unión colector-base. Un reducido porcentaje de estos electrones, son capturados por la base, al ser esta región muy estrecha.
La corriente media en el circuito emisor (flujo de carga positivo equivalente a través de la frontera EE por unidad de tiempo) se denomina corriente de emisor IE. La corriente que se mide en el circuito del colector (flujo de carga positivo equivalente a través de la frontera CC por unidad de tiempo) se denomina corriente de colector IC. Esta corriente consta de dos componentes siendo uno de ellos la corriente debida al porcentaje de e- emitidos por el emisor que llegan al colector. Este Porcentaje depende solamente del aspecto constructivo del transistor y se lo define como (0,9 < < 0,999). La otra componente es debido al flujo de la corriente a través de la unión colector-base inversamente polarizada cuando IE= 0. Este corriente se denomina ICBO y es muy pequeña.
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Entonces
= + (^) ()
Luego, si se aplica la 1ra Ley de Kirchhoff al transistor se obtiene:
= (^) + (^) ()
Con estas 2 ecuaciones se calculará la corriente de Base:
(2) → (^) = − → (^) = − − (^) = (1 − ) ∗ − (^)
(1) → = − (^) → =
^
Tanto las ecuaciones 1,2 y 3 describen el transistor en función de las corrientes en sus terminales
Se observa que, si se desprecia ICBO al ser muy pequeño, las ecuaciones 1 y 3 quedarán de la siguiente manera:
) (^) ≅ 0 "# +,#+ ó (1) .,%# á = %+ =
0 % "# +,#+ ó (3) .,%# á (^) =
Relación entre y 1
+^
2
3 −^ )
) 3 3 3
3
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● De forma análoga a como ocurre en la curva en el diodo, existe una tensión de umbral o de codo, VBEQ , que en los transistores de silicio es de unos 0,7 V. ● La experiencia con los diodos demuestra que es posible linealizar el circuito Base-Emisor sustituyendo el diodo base-emisor por uno equivalente linealizado
Circuito de entrada lineal por tramos del transistor: (a) característica v-i; (b) circuito equivalente lineal por tramos
La resistencia rd representa la pendiente de la curva característica de la juntura en el punto Q (resistencia dinámica de esta juntura); así aplicando la ecuación del diodo:
A =
?B
C
25 F 10GH
C
Donde VT =kT/q. Esta resistencia suele ser pequeña. Por eso a fines didácticos se la supondrá despreciable (rd=0).
La juntura Colector – Base
Al aplicar la ley de Kirchhoff para tensiones a la malla Colector–Base, se obtiene:
? = 8 @ 8 +? (^)
Aquí se observa que la Juntura Colector(N) - Base(P) se encuentra en polarización Inversa, es decir que existe un potencian más positivo en el colector que en la base. Esta es una condición necesaria para que el Transistor trabaje como un dispositivo activo (Amplificador). Y según la curva característica de esta juntura, se encuentra lo siguiente:
I 87 > −0,5?
Cuando esta inecuación no se cumpla, la juntura Colector-Base entrará en conducción y ya no se comportará como un Transistor este dispositivo, sino como dos diodos en directa unidos en sus ánodos.
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Cuando se cumple que I 87 > −0,5? las curvas características v-i pueden ser consideradas como una familia de líneas rectas que obedecen a:
= + (^)
Este hecho nos conduce al siguiente circuito equivalente:
Característica de salida en base común
Circuitos equivalentes en base común: (a)modelo básico;(b) modelo simplificado.
Si se limita al estudio de transistores de silicio, para los cuales (^) << a temperaturas normales de trabajo, el modelo se reduce a (b).
Vemos que al ser ≅ 1 no hay amplificación de corriente (para este caso particular de base común).
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Por lo tanto
ℎ 69 = β + (^)
%β % (^)
O (^)
%β % (^)
≪ β → ℎ 69 ≈ β ≡ ℎ 5
Vemos que en el rango típico de trabajo (1 a 100mA) el hfe vale aproximadamente R y es relativamente independiente de los cambios en IC.
Luego sabemos que:
1 =
O = 0,9 → 1 =
O = 0,99 → 1 =
Vemos que para pequeñas variaciones de S se obtienen grandes variaciones de T
Características en Emisor – Común
? UVW = 0,1? # 0,2? !# # # % #X# ! + #
? UVW = 1? # 2? !# # # % ! + #
Región de Saturación
Vemos que en la zona de saturación un ∆iB no origina un ∆iC proporcional. El transistor disipa poca potencia al ser VCEsat pequeña ( PC= IC. VCE )
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La corriente de colector queda en función de la VCE , aquí sucede que la juntura entre colector y emisor se transforma en una línea recta equivaliendo a una resistencia eléctrica. Se puede considerar al transistor en esta región como un interruptor cerrado (ON).
Región Activa
La relación entre las corrientes IB e IC está dada por YZ = RY[ , y en esta zona es donde se tiene amplificación lineal.
Región de Corte
Se obtiene cuando la corriente de base es cero, por lo tanto, todo el Vcc se encuentra en la juntura colector-emisor. En la práctica se dice que el transistor se encuentra cortado, o como un interruptor abierto (OFF).
Cuando VCE=BVCEO se tiene lugar la ruptura por avalancha.
Modelo válido para el circuito de colector
Para muchas aplicaciones, se puede considerar que la característica de salida en emisor común es un conjunto de líneas paralelas horizontales equidistantes como se muestra en la siguiente figura:
Característica de salida idealizada del transistor pnp
Esto significa que hfe=hFE= R
Esta suposición permite que el circuito de colector sea remplazado por una fuente de corriente dependiente:
Un generador controlado o dependiente, puede ser de tensión o de corriente, es controlado por otra magnitud que puede ser también otra tensión u otra corriente (variable de control). Estos generadores se diferencian de los generadores estándar o independientes al poseer una variable de control externa.
Para el caso que estamos aplicando tenemos un generador de corriente (ic) controlado por otra corriente (iB), esto quiere decir que iC variará siempre que varíe iB , considerando al hfe constante.
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1er paso: Reducir el circuito utilizando el equivalente de Thévenin ?B^ = ?
= _ a`` b
= (^) a_cc bdae
? =
@ + @^.^?
@B^ = @ =
2do paso: Obtener ICQ
De la malla de entrada, se obtendrá aplicando la 2da ley de Kirchhoff (VBE(Si)=0,7V)
C =^
Estabilidad con respecto al 1
@ ≫
; ! + % + ó % % ñ + % # ., @ = 10
De esta forma nos independizamos de las variaciones del β con respecto a la temperatura en el ICQ.
3er paso: Obtener IBQ
C =^
C 1
4to paso: Obtener VCEQ
De la malla de salida, aplicando la 2da ley de Kirchhoff
? = @ +? + @
? = (@ + @ ) +?
iZjk = iZZ − YZk(lZ + lj)
Hasta este punto ya se encontró el punto de funcionamiento del amplificador (Punto Q).
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5to paso: Obtener recta de carga de CC. A partir de la malla de salida
? = (@ + @ ) +?
Se despejará Ic.
Rcc= resistencia de CC en la malla de salida.
@ = @ + @
= &
% "# % #%# #" ; á
?++ @+ + @
K =
− @+ + @
(! % )
Aquí se obtuvo la recta de carga de CC. Ahora con esto se puede hacer la gráfica correspondiente.
Diseño de circuito de polarización mediante divisor resistivo
Datosm^? C C
n
1er paso: Tomando en cuenta la ICQ deseada para el amplificador, se elegirá la Icmáx que tolerará el Transistor (Tx) a utilizar, de acuerdo a la siguiente inecuación.
oáp >^2 C
2do paso: Tomando en cuenta la alimentación ( Vcc) deseada para el amplificador, la cual elegimos nosotros para el circuito, se termina de realizar la elección del Transistor, al obtener su segundo parámetro importante que será la VCEmáx de éste, utilizando la siguiente inecuación.
? (^) oáp =? (^) >?
Con esto también queda asignado el β de acuerdo al transistor elegido.
3er paso: Recordando que la Re esta para brindar estabilidad con respecto al β , se busca lograr un equilibrio entre la estabilidad y la perdida de rendimiento del amplificador al utilizar esta Re. Por ello en la práctica, se toma como un rango aceptable de esta resistencia entre los siguientes valores.
10Ω < @ < 470Ω
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Esquema del circuito final:
7mo paso: Realizar recta de carga, a partir de la malla de salida
? = (@ + @ ) +?
Se despejará Ic.
Rcc= resistencia de CC en la malla de salida.
@ = @ + @
= &
% "# % #%# #" ; á
?++ @+ + @ K^ =^
− @+ + @ (! % )
