TRANSISTOR BJT 1- INTRODUCCIÓN: Sería imposible entender la evolución de la electrónica digital en general, y de la informática en particular sin una buena comprensión de lo que es, y lo que ha aportado el transistor a estas ciencias. El transistor vino a reemplazar a un dispositivo denominado tubo de vacío (los tubos de vacío aún se emplean en electrónica de potencia, cuando son necesarias elevadísimas ganancias, por ejemplo en amplificadores para trasmisión vía satélite). El transistor es un dispositivo que ha originado una evolución en el campo electrónico.
En este tema se introducen las principales características básicas del transistor bipolar y se estudian los modelos básicos de estos dispositivos y su utilización en el análisis los circuitos de polarización. Polarizar un transistor es una condición previa a muchas aplicaciones lineales y no-lineales ya que establece las corrientes y tensiones en continua que van a circular por el dispositivo. Es necesario destacar que el desarrollo del transistor se apoya en múltiples disciplinas científicas que abarcan la química, la física y la ingeniería de materiales entre otras.
2- MARCO TEÓRICO El transistor de unión bipolar es uno de los dispositivos que son fruto de la tecnología en semiconductores (basada en uniones PN y dopaje) y es uno de los tipos de transistores mas usados en la actualidad. Un transistor posee tres terminales (base, colector y emisor) las cuales se muestran en la ilustración de la representación esquemática de un transistor PNP y NPN respectivamente.
Símbolo y tipos de transistor BJT
Estructura interna del transistor BJT
Fig N° 1: Representación de un transistor BJT
3- CORRIENTES EN UN TRANSISTOR DE UNIÓN O BJT
Fig N° 2: Símbolos y sentidos de referencia para un transistor bipolar a) NPN y b) PNP.
Un transistor bipolar de unión esta formado por dos uniones pn en contraposición. Físicamente, el transistor esta constituido por tres regiones semiconductoras -emisor, base y colector- siendo la región de base muy delgada (< 1µm). El modo normal de hacer operar a un transistor es en la zona directa. En esta zona, los sentidos de las corrientesy tensiones en los terminales del transistor se muestran en la figura 2.a para un transistor NPN y en la figura 2.b a un PNP. En ambos casos se verifica que:
Ebers y Moll desarrollaron un modelo que relacionaba las corrientes con las tensiones en los terminales del transistor. Este modelo, conocido como modelo de Ebers-Moll, establece las siguientes ecuaciones generales que, para un transistor NPN, son: α F = 0.99, αR= 0.66, IES = 10 -15 A, ICS = 10 -15ª
donde IES y ICS representan las corrientes de saturación para las uniones emisor y colector, respectivamente,aF el factor de defecto y aR la fracción de inyección de portadores minoritarios. En un transistor bipolar PNP, lasecuaciones de EbersMoll son:
4- ZONAS DE FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR BJT: 1. ACTIVA DIRECTA: El transistor sólo amplifica en esta zona, y se comporta como una fuente de corriente constante controlada por la intensidad de base (ganancia de corriente).Este parámetro lo suele proporcionar el fabricante dandonos un máximo y un mínimo para una corriente de colector dada (Ic); además de esto, suele presentar una variación acusada con la temperatura y con la corriente de colector.
2. SATURACIÓN: En esta zona el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación (potencia, circuitos digitales, etc.), y lo podemos considerar como un cortocircuito entre el colector y el emisor.
3. CORTE: el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación (potencia, circuitos digitales, etc.), y podemos considerar las corrientes que lo atraviesan practicamente nulas (y en especial Ic).
4. ACTIVA INVERSA: Esta zona se puede considerar como carente de interés.
5. REGIÓN DE RUPTURA: Las tensiones máximas que pueden soportar las uniones pn inversamente polarizadas se denominan tensiones de ruptura. Cuando se alcanza estas tensiones existe peligro de ruptura del transistor debido a dos fenómenos: ruptura por avalancha y ruptura por perforación.
Fig N° 3: Regiones de operación del BJT
1.- Zona ACTIVA (activa directa) Unión E-B: directamente polarizada Unión C-B: inversamente polarizada
2.- Zona de CORTE Unión E-B: inversamente polarizada Unión C-B: inversamente polarizada La corriente por el transistor (colector-emisor) es muy pequeña (transistor CORTADO)
3.- Zona de SATURACIÓN Unión E-B: directamente polarizada Unión C-B: directamente polarizada IB tiende a provocar una IC mayor que la que permite el circuito externo de polarización.
Fig N° 4: Forma física de un transistor
5- PUNTO DE TRABAJO Q • Conjunto de corrientes y tensiones que aparecen en los terminales del dispositivo: VCEQ, ICQ • Es un punto de reposo (en continua). • Deben satisfacerse simultáneamente:
Las curvas características del transistor (Limitaciones especificadas por el fabricante) ∗
Las ecuaciones del circuito de polarización exterior (Limitaciones impuestas por los componentes)
∗
Para dibujar esta recta de una manera sencilla en el plano (VCE, IC) del transistor se selecciona dos puntos: a) VCE=0, entonces IC=VCC/RC; b) IC=0, entonces VCE=VCC. Estos puntos se pueden identificar en la siguiente figura.
6- CONFIGURACIONES BÁSICAS DEL TRANSISTOR Los transistores son elementos muy versátiles. Podemos conectarlos dentro de un circuito de muy diferentes maneras, obteniendo distintos comportamientos. Por ejemplo se puede conseguir ganancia en tensión, en intensidad o en ambas, según la clase configuración.
a.- Configuración emisor común La tensión de entrada se aplica entre base y emisor, y la tensión amplificada se obtiene entre colector y emisor. Esta configuración se denomina amplificador con emisor común, y es el circuito más utilizado por su alta ganancia de tensión y corriente. Para que una señal sea amplificada tiene que ser una señal de corriente alterna. En un amplificador de transistores están involucradas los dos tipos de corrientes (alterna y continua). La señal alterna es la señal a amplificar y la continua sirve para establecer el punto de operación del amplificador. Este punto de operación permitirá que la señal amplificada no sea distorsionada.
b.- Configuración base común Nota: Corriente de colector y corriente de emisor no son exactamente iguales, pero se toman como tal, debido a la pequeña diferencia que existe entre ellas, y que no afectan en casi nada a los circuitos hechos con transistores, por esto es la menos usada de las tres y se dice que no tiene ganancia
c.- Configuración colector común El amplificador seguidor emisor, también llamado colector común, es muy útil pues tiene una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida baja. Esta configuración sólo tiene ganancia de corriente, siendo la tensión de salida apenas 0,6V inferior a la de entrada
7- TIPOS DE POLARIZACION DEL TRANSISTOR Por realimentación del emisor Las tensiones adecuadas de V BE y V CE se consiguen eligiendo adecuadamente las resistencias VBE = VCC - VRB - VRE VCE = VCC - VRC - VRE Un aumento de temperatura o de beta provoca un aumento de I C y por tanto de I E y de la tensión en R E
Por realimentación del colector La caída de tensión en R C es común al circuito de entrada y al de salida BE =
VCC - VRC - VRB CE = VCC - VRC Es más estable ante los cambios de temperatura y de beta ya que si aumenta I C lo hace VRC lo que hace disminuir la tensión en RB y por tanto la corriente de base.
Por realimentación del emisor con divisor de tensión. Es una variante de la polarización por realimentación del emisor donde la tensión en la base se consigue mediante un divisor de tensión (RB1 y RB2). VBE = VCC - VRB1 - VRE
8- AMPLIFICACION CON TRANSISTORES:
Un amplificador es un sistema que aumenta la potencia de una señal.
La señal proviene de una fuente y se aplica a una carga.
Fuente Podemos representar la fuente como de tensión o de corriente mediante equivalentes Thevenin o Norton.
Carga Representamos la carga como una resistencia.
Impedancia de entrada Es la relación entre la tensión y la corriente a la entrada del amplificador.
Ganancia e impedancia de entrada
La salida del amplificador equivalentes Thevenin o Norton.
se
puede
representar
mediante
La tensión y corriente de salida son proporcionales a la tensión y corriente de entrada.
Ganancia de tensión a circuito abierto:
Ganancia de corriente en cortocircuito:
Ganancia de transconductancia en cortocircuito:
Ganancia de transimpedancia a circuito abierto:
La tensión y corriente en la salida se ven afectadas por la impedancia de salida, R o.
Amplificador de tensión
Ganancia de tensión
Amplificador de tensión ideal: Si R i >> r s y R o << R L ⇒ A' v ≈ Av ≈ Av0
Amplificador de corriente
Ganancia de corriente
Amplificador de corriente ideal: Si R i << r s y R o >> R L ⇒ A' l ≈ Al ≈ Al0
Amplificadores acoplados En ocasiones es necesario acoplar varios amplificadores en cascada:
La carga del amplificador 1 es la resistencia de entrada del amplificador 2.
La fuente del amplificador 2 es la salida del amplificador 1.
Ganancia de tensión
Impedancia de entrada
Ganancia de corriente
Impedancia de salida
9- AMPLIFICADORES TRANSISTORES BIPOLARES: SOLUCIÓN DE PROBLEMAS Procedimiento general de análisis Análisis del circuito de polarización 1. Eliminar las fuentes de señal. Mantener las de continua. 2. Sustituir los condensadores circuitos abiertos.
de
acoplamiento
y
desacoplo
por
3. Sustituir los transistores por su modelo de continua. 4. Hallar el punto de polarización de cada transistor.
Parámetros de pequeña señal 5. De los datos de polarización del transistor, obtener los parámetros del modelo de pequeña señal (r p , g m...)
Análisis de pequeña señal 6. Eliminar las fuentes de continua, mantener las de señal. 7. Sustituir los condensador de acoplamiento y desacoplo por cortocircuitos. 8. Sustituir los transistores por su modelo de pequeña señal. 9. Hallar los parámetros que caracterizan el amplificador (A v, Ri...)
Emisor común: Amplificador en emisor común con resistencia de emisor parcialmente desacoplada
C 1 y C 2: condensadores de acoplamiento. C E : condensador de desacoplo de R E2
Circuito de polarización Recta de carga estática
Punto de trabajo
Con
Equivalente de pequeña señal
Recta de carga dinámica
