INTRODUCCIÓN A LOS TRANSISTORES BIPOLARES (BJT) BJT (Bipolar Junction Transistor) Un transistor de unión bipolar consiste en tres regiones semiconductoras dopadas: la región del emisor, la región de la base y la región del colector. Estas regiones son, respectivamente, tipo P, tipo N y tipo P en un PNP, y tipo N, tipo P, y tipo N en un transistor NPN. Cada región del semiconductor está conectada a un terminal denominado emisor (E), base (B) o colector (C), según corresponda. Es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. Un transistor de unión bipolar está formado por dos uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan formadas tres regiones: •
• •
Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Su nombre se debe a que esta terminal funciona como emisor de portadores de carga. Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector. Colector, de extensión mucho mayor.
CONSTITUCION INTERNA DE UN BJT Es un dispositivo de tres terminales, equivalente a dos diodos PN unidos en sentido opuesto (emisor, base y colector). • En función de la situación de las uniones, existen dos tipos: NPN y PNP. • La unión correspondiente a la Base-Emisor, se polariza en directa; y la BaseColector en inversa. Así, por la unión Base-Colector circula una corriente inversa. • En NPN, la región de emisor tiene mayor dopaje que la base. Al polarizar la unión Base-Emisor en directa, y la Base-Colector en inversa, los electrones libres que proceden del emisor llegan a la base, con mucho menor número de huecos, por lo que son atraídos por el colector (con alta concentración de impurezas).
TRANSISTOR BIPOLAR NPN Está formado por una capa fina tipo p entre dos capas n, contenidas en un mismo cristal semiconductor de germanio o silicio, presentando las tres zonas mencionadas (E, B, C). • El emisor emite portadores de carga hacia el interior de la base. • En la base se gobiernan dichos portadores. • En el colector se recogen los portadores que no puede acaparar la base. • Unión emisor: es la unión PN entre la base y el emisor. • Unión colector: es la unión PN entre la base y colector. • Cada una de las zonas está impurificada en mayor o menor grado. La base 100 veces menos que el colector o emisor. • La base tiene menor tamaño, después el emisor y a 2 veces de espesor el colector.
TRANSISTOR BIPOLAR PNP El BJT PNP está formado también por un cristal semiconductor con tres regiones definidas por el tipo de impurezas. • Las tensiones de continua aplicadas son opuestas a las del NPN. • Las corrientes fluyen en sentido contrario al del NPN. • Por lo demás, este dispositivo es similar al NPN. • El BJT PNP desde el emisor emite huecos, controlada por la base. El exceso de huecos que no pueden recombinarse en la base va a parar al colector.
OPERACIÓN DEL TRANSISTOR El transistor bipolar es un dispositivo de tres terminales gracias al cual es posible controlar una gran potencia a partir de una pequeña. En la figura se puede ver un ejemplo cualitativo del funcionamiento del mismo. Entre los terminales de colector (C) y emisor (E) se aplica la potencia a regular, y en el terminal de base (B) se aplica la señal de control gracias a la que controlamos la potencia. Con pequeñas variaciones de corriente a través del terminal de base, se consiguen grandes variaciones a través de los terminales de colector y emisor. Si se coloca una resistencia se puede convertir esta variación de corriente en variaciones de tensión según sea necesario.
FUNDAMENTOS FÍSICOS DEL EFECTO TRANSISTOR El transistor bipolar basa su funcionamiento en el control de la corriente que circula entre el emisor y el colector del mismo, mediante la corriente de base. En esencia un transistor se puede considerar como un diodo en directa (unión emisor-base) por el que circula una corriente elevada, y un diodo en inversa (unión base-colector), por el que, en principio, no debería circular corriente, pero que actúa como una estructura que recoge gran parte de la corriente que circula por emisor-base. En la figura 9 se puede ver lo que sucede. Se dispone de dos diodos, uno polarizado en directa (diodo A) y otro en inversa (diodo B). Mientras que la corriente por A es elevada (IA), la corriente por B es muy pequeña (IB). Si se unen ambos diodos, y se consigue que la zona de unión (lo que llamaremos base del transistor) sea muy estrecha, entonces toda esa corriente que circulaba por A (IA), quedará absorbida por el campo existente en el diodo B. De esta forma entre el emisor y el colector circula una gran corriente, mientras que por la base una corriente muy pequeña. El control se produce mediante este terminal de base porque, si se corta la corriente por la base ya no existe polarización de un diodo en inversa y otro en directa, y por tanto no circula corriente.
En una configuración normal, la unión emisor-base se polariza en directa y la unión basecolector en inversa. Debido a la agitación térmica los portadores de carga del emisor pueden atravesar la barrera de potencial emisor-base y llegar a la base. A su vez, prácticamente todos los portadores que llegaron son impulsados por el campo eléctrico que existe entre la base y el colector. Un transistor NPN puede ser considerado como dos diodos con la región del ánodo compartida. En una operación típica, la unión base-emisor está polarizada en directa y la unión base-colector está polarizada en inversa. En un transistor NPN, por ejemplo, cuando una tensión positiva es aplicada en la unión base-emisor, el equilibrio entre los portadores generados térmicamente y el campo eléctrico repelente de la región agotada se desbalancea, permitiendo a los electrones excitados térmicamente inyectarse en la región de la base. Estos electrones "vagan" a través de la base, desde la región de alta concentración cercana al emisor hasta la región de baja concentración cercana al colector. Estos electrones en la base son llamados portadores minoritarios debido a que la base está dopada con material P, los cuales generan "huecos" como portadores mayoritarios en la base. La región de la base en un transistor debe ser constructivamente delgada, para que los portadores puedan difundirse a través de esta en mucho menos tiempo que la vida útil del portador minoritario del semiconductor, para minimizar el porcentaje de portadores que se recombinan antes de alcanzar la unión base-colector. El espesor de la base debe ser menor al ancho de difusión de los electrones.
CONTROL DE TENSIÓN, CARGA Y CORRIENTE La corriente colector-emisor puede ser vista como controlada por la corriente base-emisor (control de corriente), o por la tensión base-emisor (control de voltaje). Esto es debido a la relación tensión-corriente de la unión base-emisor, la cual es la curva tensión-corriente exponencial usual de una unión PN (es decir, un diodo). En el diseño de circuitos analógicos, el control de corriente es utilizado debido a que es aproximadamente lineal. Esto significa que la corriente de colector es aproximadamente β veces la corriente de la base. Algunos circuitos pueden ser diseñados asumiendo que la tensión base-emisor es aproximadamente constante, y que la corriente de colector es β veces la corriente de la base. No obstante, para diseñar circuitos utilizando BJT con precisión y confiabilidad, se requiere el uso de modelos matemáticos del transistor como el modelo Ebers-Moll.
EL ALFA Y BETA DEL TRANSISTOR Una forma de medir la eficiencia del BJT es a través de la proporción de electrones capaces de cruzar la base y alcanzar el colector. El alto dopaje de la región del emisor y el bajo dopaje de la región de la base pueden causar que muchos más electrones sean inyectados desde el emisor hacia la base que huecos desde la base hacia el emisor. La ganancia de corriente emisor común está representada por o por hfe. Esto es aproximadamente la tasa de corriente continua de colector a la corriente continua de la base en la región activa directa y es típicamente mayor a 100. Otro parámetro importante es la ganancia de corriente base común, . La ganancia de corriente base común es aproximadamente la ganancia de corriente desde emisor a colector en la región activa directa. Esta tasa usualmente tiene un valor cercano a la unidad; que oscila entre 0.98 y 0.998. El Alfa y Beta están más precisamente determinados por las siguientes relaciones (para un transistor NPN):
NPN
El símbolo de un transistor NPN
NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación. Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la "base") entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisor-común es amplificada en la salida del colector. La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.
PNP El otro tipo de transistor de unión bipolar es el PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias.
El símbolo de un transistor PNP
Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector. La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.
ACCIÓN AMPLIFICADORA DEL TRANSISTOR Después que un transistor se haya polarizado con un punto de operación Q cerca de la mitad de la línea de carga de CC, se puede acoplar una pequeña señal de CA en la base. Esto produce alternancias o fluctuaciones de igual forma y frecuencia en la corriente de colector. Por ejemplo, si la entrada es una onda senoidal con una frecuencia de 1 kHz, la salida será una onda senoidal amplificada con una frecuencia de 1 kHz. El amplificador se llama lineal (o de alta fidelidad) si no cambia la forma de la señal. Si la amplitud de la señal es pequeña, el transistor sólo usará una pequeña parte de la línea de carga y la operación será lineal. Si la señal de entrada es demasiado grande, las fluctuaciones en la línea de carga excitarán al transistor a saturación y corte. Esto cortará los picos de una onda senoidal y el amplificador ya no será lineal con lo que la señal se distorsiona grandemente.
Figura 11
Esto se puede explicar haciendo uso del modelo Ebers-Moll que se muestra en figura 11b. La figura 11d muestra la curva del diodo que relaciona a IE con VBE. En ausencia de una señal de CA (corriente alterna), el transistor opera en el punto Q, el cual normalmente está colocado en la mitad de la línea de carga de CC. Cuando una señal de CA excita a un transistor, se produce un cambio en voltaje y corriente de emisor; si la señal es pequeña, el punto de operación varía senoidalmente desde Q hasta un pico positivo de corriente en A, luego a un pico negativo de corriente en B, y de regreso otra vez al punto Q, donde se repite el ciclo. Esto produce variaciones senoidales en IE y VBE. Si la señal es pequeña, los picos A y B están muy cercanos a Q, y la operación es aproximadamente lineal. En otras palabras, el arco entre A y B es casi una Un recta y debido a esto los cambios en voltaje y corriente son aproximadamente proporcionales. Pero cuando la señal de entrada es grande, la corriente de emisor ya no será senoidal debido a la no linealidad de la curva del diodo. Cuando la señal es demasiado grande,
la corriente de emisor se extenderá sobre el semiciclo positivo y será comprimida en el semiciclo negativo, como se indica en la figura 11e. Una señal se considerará pequeña si la variación pico a pico en la corriente de emisor, es menor al 10% de la corriente estática o de reposo del emisor. Por ejemplo, si IE = 10 mA, entonces la variación pico a pico de menos de 1 mA significa que tenemos una operación de señal pequeña. Esta regla de 10:1 mantiene la distorsión en los niveles bajos para la mayor parte de las aplicaciones. En lo referente a la señal de CA, el diodo aparece como una resistencia (figuras 11b y 11c), y está dada por:
donde:
r’e = resistencia de emisor a la CA.
∆VBE = cambio de voltaje de base emisor ∆IE = cambio correspondiente en la corriente de emisor. La figura 12 muestra una gráfica característica de IC en función de IB. βcc es la razón de la corriente de colector de CC IC a la corriente de base a CC IB. Como la gráfica no es lineal, ICC depende de las coordenadas del punto Q. Por eso, en las hojas técnicas βcc queda especificada para un valor particular de IC.
Figura 12
La beta de CA (designada como βca o simplemente β) es una cantidad de pequeña señal que depende de la localización de Q, se define como:
o, como las corrientes alternas son las mismas que los cambios en las corrientes totales,
Gráficamente, β es la pendiente de la curva en el punto Q; por esta razón, tiene diferentes valores a diferentes ubicaciones del punto Q. En las hojas técnicas β es identificada como hfe.
CONFIGURACIÓN BASE COMÚN
La figura 20a muestra un amplificador de base común. Puesto que la base está conectada a tierra, este circuito también se denomina amplificador de base a tierra. El punto Q es fijado por la polarización del emisor, que inmediatamente se reconoce cuando se dibuja el circuito equivalente de CC como se muestra en la figura 19b.
Figura 20
La corriente de CC en el emisor está dada por:
La figura 20c muestra un amplificador base común polarizado con divisor de voltaje. Puede reconocerse la polarización de divisor de voltaje dibujando el circuito equivalente de CC, como se muestra en la figura 20d. En uno y otro, la base está a tierra de CA. La señal de entrada excita al emisor, y la señal de salida es tomada del colector. La figura 21a muestra el circuito equivalente de CA de un amplificador de base común durante el semiciclo positivo del voltaje de entrada. Los resistores de polarización se omiten porque tienen un efecto despreciable en la impedancia de entrada. La impedancia de entrada de un amplificador de base común se aproxima según:
.
El voltaje de salida está dado por:
vsal = icxRC
El cual está en fase con el voltaje de entrada. Ya que el voltaje de entrada es: vent = ie r’e La ganancia de voltaje es:
Figura 21
En vista de que ic ≅ ie la ecuación anterior puede reescribirse como:
Esto indica que la ganancia de voltaje tiene la misma magnitud que la tendría un amplificador de emisor común no minimizado únicamente la fase es diferente. Por ejemplo, si RC = 2500 Ω y r’e = 25Ω, entonces un
amplificador base común tiene una ganancia de voltaje de 100, en tanto que un amplificador emisor común tiene una ganancia de voltaje de -100. Idealmente, la fuente de corriente de colector de la figura 21a tiene una impedancia interna infinita. Por lo tanto, la impedancia de salida de un amplificador de base común es Zsal ≅ RC. La figura 21b muestra el modelo de CA de un amplificador de base común. La gran diferencia entre éste y el amplificador de emisor común es la impedancia de entrada extremadamente baja. Una razón por la cual el amplificador de base común no se usa mucho es su baja impedancia de entrada. La impedancia que ve la fuente de CA que excita el amplificador base común es Zent ≅ r’e que puede ser bastante baja. Por ejemplo, si IE = 1 mA, la impedancia de entrada de un amplificador de base común es de sólo 25Ω. A menos que la fuente de CA sea estable, la mayor parte de la señal se pierde en la resistencia de la fuente. La impedancia de entrada de un amplificador base común es tan baja que sobrecarga la mayor parte de las fuentes de señal. Debido a esto, un amplificador base común discreto no se usa regularmente a bajas frecuencias. Encuentra aplicación, sobre todo, en circuitos de altas frecuencias (arriba de 10 MHz) donde son comunes las bajas impedancias de la fuente.
CONFIGURACIÓN EMISOR COMÚN
La figura 13a muestra un amplificador de emisor común. Como el emisor está acoplado a tierra por medio de un capacitor, a este
amplificador algunas veces se le llama amplificador con emisor a tierra, esto significa que el emisor está a tierra de CA, pero no a tierra de CC. Tiene acoplada a la base una pequeña onda senoidal, lo cual produce variaciones en la corriente de base. La corriente de colector es una forma de onda senoidal amplificada de la misma frecuencia, debida a β. Esta corriente senoidal de colector, fluye por la resistencia de colector y produce un voltaje amplificado de salida.
Figura 13
Debido a las fluctuaciones de CA en la corriente de colector, el voltaje de salida de la figura 13a varía senoidalmente en la parte superior e inferior del voltaje estático o de reposo. Debe notarse que el voltaje de salida de CA está invertido con respecto al voltaje de CA de entrada, lo cual significa que está 180º fuera de fase con respecto a la entrada. Durante el primer semiciclo positivo del voltaje de entrada aumenta la corriente de base, dando origen a un incremento en la corriente del colector. Esto produce una caída de voltaje mayor en el resistor de colector; por lo tanto, el voltaje de colector disminuye y se obtiene el primer semiciclo negativo del voltaje de salida. Por el contrario, en el semiciclo negativo del voltaje de entrada, fluye menos corriente de colector y disminuye la caída de voltaje en el resistor de colector. Por esta razón, el voltaje de colector a tierra aumenta y se obtiene el semiciclo positivo del voltaje de salida. La figura 13b muestra la línea de carga de CA y el punto Q. El voltaje de CA de entrada produce variaciones de CA en la corriente de base. Esto da origen a variaciones senoidales alrededor del punto Q, como se muestra. Para operación de pequeña señal, la variación de pico a pico
en la corriente de colector deberá ser menor del 10% de la corriente de colector estática o de reposo (esto mantiene la distorsión muy abajo de los niveles aceptables en la mayor parte de las aplicaciones). Para grandes señales, el punto de operación varía más a lo largo de la línea de carga. Si la señal es muy grande, el transistor va hacia saturación y corte, lo que recortará los picos negativos y positivos de la señal. En algunas aplicaciones el recorte será aceptado, pero con amplificadores lineales el transistor deberá operar en la región activa todo el tiempo. Eso significa que nunca irá a saturación o corte durante el ciclo. La ganancia de voltaje de un amplificador es la relación del voltaje de CA de salida al voltaje de CA de entrada. Simbólicamente:
La figura 14a muestra el circuito equivalente de ca. La resistencia RC de colector va hacia tierra porque el punto de voltaje de alimentación actúa como un cortocircuito para CA. De la misma forma, el resistor R1 está a tierra, por lo que aparece en paralelo con R2 y el diodo emisor. Debido al circuito en paralelo en el lado de entrada, vent aparece directamente en paralelo con el diodo emisor. Por lo tanto, se puede visualizar el circuito equivalente de CA como se muestra en la figura 14b. En cualquier circuito, el voltaje aplicador a r’e es igual a vent.
Figura 14
El voltaje de entrada de la figura 14b se muestra con una polaridad másmenos para indicar el semiciclo positivo del voltaje de entrada. La corriente de CA de emisor es:
Como la corriente de colector es aproximadamente igual a la corriente de emisor, esta corriente de CA de colector fluye a través del resistor de colector, produciendo un voltaje de salida de
El signo menos se usa para indicar la inversión de fase, en el semiciclo positivo del voltaje de entrada aumenta la corriente de colector, produciendo el semiciclo negativo del voltaje de salida. Como ie = vent /r’e , entonces:
Reacomodando los términos anteriores se obtiene la ganancia de voltaje:
Así por ejemplo, con un amplificador como éste, un voltaje de base de 1 mV produce un voltaje de salida de 188 mV. En un amplificador de emisor común la fuente de CA aprecia las resistencias de polarización en paralelo con el diodo emisor (ver figura 14a), razón por lo que estas impedancias de polarización también están en paralelo con la impedancia de entrada en la base ZBent que es igual a β re’. De manera que la impedancia total de entrada es el paralelo de ellas tres:
Zent ≅ R1R2β re’ De la figura 14b puede determinarse gráficamente que la impedancia de salida es Zsal ≅ RC. La figura 15 muestra un ejemplo de en un circuito de amplificador en configurado como emisor común y cómo son vistas las señales CA a través de un osciloscopio.
Figura 15
CONFIGURACIÓN DE COLECTOR COMÚN
La figura 16a muestra el circuito llamado amplificador de colector común. Como RC es cero el colector está a tierra de CA, siendo ésta la razón por la que el circuito también se conoce como amplificador de colector a tierra. Cuando un voltaje Vent de CC excita la base, aparece un voltaje Vsal de CC en la resistencia de emisor.
Figura 16
Un amplificador de colector común es como un amplificador emisor común altamente saturado o minirnizado con la resistencia de colector en cortocircuito y la salida tomada en el emisor en vez del colector. Como el emisor está autoelevado al voltaje de la base, el voltaje de CC de salida es:
Vsal = Vent - VBE El circuito se denomina también emisor seguidor porque el voltaje de CC de emisor sigue el voltaje de CC de base. En la figura 16a, VCE está dada por:
VCE = VCC - Vsal Si Vsal aumenta, VCE disminuye. Por lo tanto, VcE está fuera de fase con respecto a Vsal y Vent. Puede apreciarse esta relación fuera de fase en las figuras 16b y 16c. Sumando los voltajes de CC alrededor del circuito de colector de la figura 16a, se obtiene:
VCE + IERE - VCC = 0 Como la corriente de colector es aproximadamente igual a la corriente de emisor, se puede resolver para IC y obtener:
Esta es la ecuación para la línea de carga de CC mostrada en la figura 16d. Cuando el voltaje de entrada contiene una componente de CA y una de CC, la línea de carga de CA es la misma que la línea de carga de CC, debido a que IC y VCE tienen la fluctuación senoidal mostrada en la figura 10d. Si la señal de entrada es suficientemente grande para usar toda la línea de carga de CA, el transistor tiende a irse a saturación y a corte en los picos. Esto limita la variación del voltaje de salida a un valor pico a pico igual a VCC como se muestra en la figura 16e.
Figura 17 La figura 17a muestra un emisor seguidor excitado por un voltaje de CA pequeño; la figura 17b muestra el circuito equivalente de CA. El voltaje de CA de salida es igual a:
vsal = ie RE Debido a que el voltaje de CA de entrada es:
vent = ie(RE + re’)
La relación de vsal a vent es:
En la mayor parte de los emisores seguidores, el voltaje de salida está dentro de 0. 5 % del voltaje de entrada, debido a que RE minimiza a re’ y la ganancia de voltaje se aproxima a la unidad, así: A ≅ 1. En la práctica se polariza la base de un amplificador de colector común con división de voltaje de VCC por medio de dos resistencias R1 y R2 (Ver figura 18a).
Figura 18
Puesto que el amplificador de colector común está fuertemente minimizado, su impedancia entrada en la base es ZBent = β (RE + re’). Pero RE normalmente es mucho mayor que re’ y por ende reduce sus efectos, de manera que ZBent ≅ β RE.. Esta impedancia es muy alta. La impedancia total de entrada en un amplificador colector común comprende también las resistencias de polarización R1 y R2 en paralelo con ZBent: Zent = R1R2β RE Cuando la polarización del divisor de voltaje es estable, β RE es por lo menos 100 veces mayor que R1R2, por lo que se puede despreciar, de manera que: Zent = R1R2 La figura 18d muestra el circuito equivalente para la corriente de salida ie. La resistencia RE del emisor está excitado por una fuente de CA que tiene una impedancia de salida de CA de:
La impedancia total de salida es Zsal = RE ZEsal. Sin embargo RE normalmente es demasiado grande y puede despreciarse. De modo que:
El seguidor de emisor es esencialmente un amplificador de baja distorsión. Puesto que el resistor de emisor no está derivado, la minimización es sumamente alta y la no linealidad del diodo emisor está casi eliminada. Dado que la ganancia de voltaje es aproximadamente la unidad, el voltaje de salida es una réplica del voltaje de entrada. Con una onda senoidal perfecta de entrada se obtiene una onda senoidal perfecta de salida. La figura 19 muestra un ejemplo de en un circuito de amplificador configurado como colector común y cómo son vistas las señales CA a través de un osciloscopio.
Figura 19
PRUEBA DE TRANSISTORES
Un transistor bipolar equivale a dos diodos en oposición (tiene dos uniones), por lo tanto las medidas deben realizarse sobre cada una de ellas por separado, pensando que electrodo base es común a ambas direcciones.
Se empleará un multímetro analógico y las medidas se efectuarán colocando el instrumento en las escalas de resistencia y preferiblemente en las escalas ohm x 1, ohm x 10 ó también ohm x 100. Antes de aplicar las puntas al transistor es conveniente cerciorarse del tipo de éste, ya que si es NPN se procederá de forma contraria que si se trata de un PNP. Para el primer caso (NPN) se situará la punta negra (positivo) del multímetro sobre el terminal dela base y se aplicará la punta roja sobre las patillas correspondientes al emisor y colector. Con esto se habrá aplicado entre la base y el emisor o colector, una polarización directa, lo que traerá como consecuencia la entrada en conducción de ambas uniones, moviéndose la aguja del multímetro hasta indicar un cierto valor de resistencia, generalmente baja (algunos ohm) y que depende de muchos factores.
A continuación se invertirá la posición de las puntas del instrumento, colocando la punta roja (negativa) sobre la base y la punta negra sobre el emisor y después sobre el colector. De esta manera el transistor recibirá una tensión inversa sobre sus uniones con lo que circulará por él una corriente muy débil, traduciéndose en un pequeño o incluso nulo movimiento de la aguja. Si se tratara de un transistor PNP el método a seguir es justamente el opuesto al descrito, ya que las polaridades directas e inversas de las uniones son las contrarias a las del tipo NPN.
Las comprobaciones anteriores se completan con una medida, situando el multímetro entre los terminales de emisor y colector en las dos posibles combinaciones que puede existir; la indicación del instrumento será muy similar a la que se obtuvo en el caso de aplicar polarización inversa (alta resistencia), debido a que al dejar la base sin conexión el transistor estará bloqueado. Esta comprobación no debe olvidarse, ya que se puede detectar un cortocircuito entre emisor y colector y en muchas ocasiones no se descubre con las medidas anteriores.
POLARIZACIÓN EN DC DE LOS TRANSISTORES BIPOLARES
Polarizar un transistor bipolar implica conseguir que las corrientes y tensiones continuas que aparecen en el mismo queden fijadas a unos valores previamente decididos. Es posible polarizar el transistor en zona activa, en saturación o en corte, cambiando las tensiones y componentes del circuito en el que se engloba. El transistor bipolar se emplea en numerosas aplicaciones, y en infinidad de circuitos diferentes. Cada uno de ellos lo polariza de forma determinada. En este apartado se abordará la polarización del transistor mediante una red de resistencias. Supongamos que se quiere polarizar un transistor bipolar en zona activa. Se ha de conseguir que sus tensiones y corrientes cumplan las condiciones de estar en activa: VBE = 0,7V, VCE > 0,2V Una primera opción sería usar un circuito como el de la figura 17. Podemos ver cómo conseguimos polarizar la unión base-emisor mediante una resistencia (R) conectada a alimentación. Por la base del transistor circulará una corriente igual a (VCC-VBE)/R, y en colectoremisor tendremos: VCE = VCC > VCEsat.
Figura 17 Este primer circuito tiene como inconveniente por un lado que el transistor nunca se podría polarizar en saturación, pues no se puede conseguir que VCE = 0,2V siendo VBE =0,7V; y por otro lado la excesiva disipación. Un circuito un poco más complejo, y con el que se puede conseguir polarizar al transistor en las tres regiones de funcionamiento es el de la figura 18. Vemos que en este caso la tensión colector-emisor depende directamente de la corriente de base (VCE=VCC-βIBRC), y dicha corriente se fija actuando sobre la resistencia de base (IB=(VCCVBE)/RB). Para polarizar el transistor en cada una de las regiones se
pueden emplear las dos ecuaciones mencionadas y aplicar las restricciones de cada región.
Figura 18 Cuando se pretende que la polarización sea estable (es decir, que no varíe con factores externos1), se usan redes de polarización más complejas, que fijan la tensión en base, como por ejemplo la que aparece en la figura 19. En apartados posteriores se resuelve un ejercicio con un transistor polarizado tal y como aparece en la figura 19.
Figura 19
CORTE Y SATURACIÓN DEL TRANSISTOR CORTE Cuando el transistor se encuentra en corte no circula corriente por sus terminales. Por eso se dice que el BJT se comporta como un interruptor abierto. Concretamente, y a efectos de cálculo, decimos que el transistor se encuentra en corte cuando se cumple la condición: IE = 0 ó IE < 0 (Esta última condición indica que la corriente por el emisor lleva sentido contrario al que llevaría en funcionamiento normal). Para polarizar el transistor en corte basta con no polarizar en directa la unión base-emisor del mismo, es decir, basta con que VBE=0.
SATURACIÓN En la región de saturación se verifica que tanto la unión base-emisor como la base-colector se encuentran en directa. Se dejan de cumplir las relaciones de activa, y se verifica sólo lo siguiente:
Donde las tensiones base-emisor y colector-emisor de saturación suelen tener valores determinados (0,8 y 0,2 voltios habitualmente). Es de señalar especialmente que cuando el transistor se encuentra en saturación circula también corriente por sus tres terminales, pero ya no se cumple la relación:
IC = β ⋅ IB
Estado de saturación de un transistor bipolar.
CIRCUITO DE POLARIZACIÓN PARA BJT CON RESISTOR EN EMISOR Consiste en colocar una resistencia de emisor. La unión de colector se polariza en inversa por medio de Vcc y Rc. La unión de emisor se polariza en directa por el divisor de tensión y Re.
Se demuestra que al aumentar la β, la Ιb se hace más pequeña, compensando el aumento de Ιc. Si la β se reduce ocurrirá el efecto inverso. Esta realimentación del sistema se debe a Re.
CIRCUITO DE CONFIGURACIÓN DE DIVISOR DE VOLTAJE CON RESISTOR EN EMISOR
La malla de entrada se puede redibujar:
La red equivalente Thevenin a la izquierda de la terminal de la base puede encontrarse de la siguiente manera:
La aplicación de la regla del divisor de voltaje:
La red equivalente Thevenin a la izquierda de la terminal de la base queda de la siguiente manera:
MALLA BASE – EMISOR
MALLA COLECTOR – EMISOR
CIRCUITOS DE POLARIZACIÓN DE DC CON REALIMENTACIÓN DE VOLTAJE
Este tipo de polarización proporciona mayor estabilidad del punto de operación que la polarización fija. El efecto de la realimentación radica en el hecho de que si por alguna razón (incremento en β por ejemplo) IC incrementa, entonces el voltaje en RE aumenta, lo que a su vez produce decremento en la tensión de RB. Si el voltaje de RB disminuye entonces IB disminuye lo cual obliga a que IC también disminuya. Se concluye que el incremento original de IC queda parcialmente balanceado. El razonamiento anterior parece bueno, pero como se demostrará en los análisis respectivos, el circuito no trabaja adecuadamente para valores prácticos de resistencia.
ANÁLISIS DE MALLA DE COLECTOR
ANÁLISIS EN LA MALLA DE BASE
Si esta desigualdad se cumple entonces el transistor se satura pues
El valor de iC se aproxima al valor de la IC de saturación, por lo que puede concluirse lo siguiente: Si RB se hace un poco menor que βRC, entonces el transistor se satura.
