TRANSISTORES C E C E C

Transcripción

1 1 TANSSTOS ntroducción. l transistor es un elemento semiconductor que tiene la propiedad de poder gobernar a voluntad la intensidad de corriente que circula entre dos de sus tres terminales (emisor y colector), mediante la circulación de una pequeña corriente aplicada en el tercer terminal (colector). ste efecto se conoce con el nombre de amplificación de corriente, y nos permite aplicarle en el emisor una corriente muy pequeña con cualquier forma de variación en el tiempo, y obtener la misma corriente, con la misma variación en el tiempo, pero de mayor amplitud. Se utilizan fundamentalmente en circuitos que realizan funciones de amplificación, control, proceso de datos, etc. l funcionamiento interno se puede describir a partir de lo ya explicado para los diodos, con la diferencia de que este último posee dos uniones semiconductoras, esto es: el transistor posee dos zonas semiconductoras, que pueden ser N o P, y entre ambas una muy delgada del tipo P o N respectivamente. ste conjunto formará dos uniones: una NP, entre el emisor y la base, y la otra PN entre la base y el colector (si las dos zonas exteriores son del tipo N y la interior tipo P, es decir un transistor NPN. Si las regiones exteriores son del tipo P y la interior del tipo N el transistor será del tipo PNP). P N P N P N Si le aplicamos una tensión externa a la unión NP, de forma que quede polarizada en directa, se producirá una circulación de corriente entre ambas regiones. Aplicando una segunda tensión externa a la otra unión, de modo que ésta quede en inversa (el terminal positivo de la fuente conectado al colector y el negativo a la base), la corriente generada en la otra unión, será atraída por la diferencia de potencial positiva aplicada al colector, generando que prácticamente toda la corriente proveniente del emisor llegue al colector, salvo una pequeña cantidad de corriente que saldrá por la base. Y es justamente esta pequeñísima corriente de base la que nos permite gobernar la corriente circulante desde el emisor al colector. l sentido de circulación de la corriente adoptado hasta ahora es el de circulación de los electrones, y como la convención utilizada toma el sentido opuesto

2 2 entonces en un transistor del tipo NPN la corriente será entrante por el colector y la base, y saliente por el emisor. n la figura tenemos una regla mnemotécnica para recordar la relación entre las corrientes que atraviesan al transistor. Debido a que la corriente de emisor será siempre un múltiplo de la de base obtendremos los resultados deseados de amplificación. Supongamos que dicha corriente de colector ( c ) es 100 veces la corriente de emisor ( e ), entonces si b 5 ma; e 500 ma. Si ahora b 2 ma; e 200 ma. Donde se puede apreciar que una pequeña variación en la corriente de base (3 ma), produce una gran variación en la de emisor (300 ma). Dicho factor de amplificación es denominado generalmente con la letra griega β (eta). Ya hemos hecho notar que existen transistores del tipo NPN y PNP según sean los dopados de las tres regiones, pero entre ambos tipos no existe ninguna diferencia en cuanto a lo funcional, salvo que todos los sentidos de circulación de las corrientes son opuestos en uno y otro, por lo tanto, para polarizar un transistor PNP, de igual manera que uno NPN, se deberán utilizar tensiones opuestas en uno y otro. Los transistores tienen una característica muy interesante que es la capacidad que tienen éstos de entregar una intensidad de corriente constante a una resistencia, independientemente del valor de ésta, es decir que las variaciones de corriente obtenidas por la acción de la base, producirán en la resistencia una variación de la tensión, la cual será, según la ley de Ohm: x. ntonces dependerá del valor de la corriente de base y de la resistencia en el colector, siendo mayor cuando mayor es, estando fijado el límite por el valor de la tensión externa aplicada al circuito. ste efecto resulta en una "amplificación de tensión", que es una de las características más importante de los transistores y el motivo por el cual son de uso casi imprescindible en los montajes electrónicos. sta amplificación de tensión se calcula como la relación entre el voltaje en la resistencia de carga y la tensión aplicada entre las junturas baseemisor.

3 3 onfiguraciones y omportamiento del Transistor. l estudio y análisis de los transistores se realiza mediante el empleo de las "curvas características" del mismo, con las cuales se puede caracterizar completamente el comportamiento o funcionamiento eléctrico del transistor, siendo ésta expresada en relaciones gráficas de las corrientes b, c e e, en función de las tensiones externas y para las distintas configuraciones: misor omún (), ase omún () y olector omún (). misor omún ase omún olector omún Las curvas describen el comportamiento de los transistores, pero como estos no se comportan todos de igual manera, éstas varían según el tipo de transistor, y, si bien difieren de un tipo a otro, son muy semejantes en la forma. Además no se refieren a uno en concreto, sino que son un promedio de un gran número de unidades. stas gráficas son proporcionadas por el fabricante, y como el montaje más común es la de emisor común, y además los fabricantes nos suministran las curvas basadas en este tipo de configuración, nos centraremos en el análisis de las curvas referidas a este tipo de montaje. También es importante conocer los valores máx, mín y típico de las características más importantes, para poder emplear, en los cálculos, el valor que resultare más desfavorable a fin de asegurarnos que el funcionamiento de cualquier unidad de la muestra estará dentro de lo estipulado. Las curvas características más importantes son la característica de entrada y la de salida. n las de entrada, se expresan las gráficas de la relación entre la corriente de base ( b ) y la tensión baseemisor ( be ) para la tensión colectoremisor ( ce ) constante. A partir de ellas podemos calcular la corriente que circula por la base cuando se aplica una tensión externa entre ésta y el emisor.

4 4 (ma) s Zona Saturación Zona Activa aracterística de Salida omo el transistor en montaje en emisor común tiene comportamiento similar al de un diodo polarizado en directa, las curvas son de igual forma, es decir, que existe una determinada tensión umbral por debajo de la cual la corriente es prácticamente nula. También de las características de entrada podemos deducir la resistencia de entrada del transistor, que es la variación de la tensión baseemisor ( be ) con respecto a la corriente de base ( b ). n las curvas de salida se grafica la corriente de colector c en función de la tensión colectoremisor ce cuando mantenemos constante b. Generalmente se dibuja una familia de curvas para distintas b. n esta gráfica se observa que por encima de un valor de tensión colector emisor ce1 la corriente se mantiene prácticamente constante, independientemente del valor de ce. Por debajo de este valor sucede todo lo contrario, b varía rápidamente con pequeñas variaciones de ce. ste valor de ce1 es aproximadamente 0,5. A esta zona de funcionamiento donde c es casi constante, se denomina región activa y es en la que se desea que funcione el transistor cuando se lo usa en amplificadores. n este caso c solamente depende de b.

5 5 (ma) s Zona Saturación Zona Activa Zona orte n la gráfica podemos observar una recta denominada s, que delimita una de las 3 posibles regiones de trabajo de los transistores. l transistor trabajará en alguna de las 3 regiones dependiendo de las polarizaciones que reciban cada una de las uniones PN que lo componen. Las tres regiones son: egión de saturación: l transistor se comporta como un interruptor entre emisor y colector. egión de corte: l transistor se comporta como un interruptor abierto entre emisor y colector. egión lineal (o activa): Se comporta como un dispositivo amplificador de corriente de entrada (corriente de base). Algunos de los parámetros importantes de los transistores y que generalmente son suministrados por el fabricante son: ce(sat) Tensión máxima entre colector y emisor trabajando en saturación. ceo Tensión máxima entre colector y emisor. cbo Tensión máxima entre colector y base. ebo Tensión máxima entre emisor y base. cmáx orriente máxima de colector. cm máx orriente máxima de colector (valor pico) bmáx orriente máxima de base (valor pico) P tot Potencia disipable total.

6 6 De la misma manera que en las características de entrada podemos deducir la resistencia de entrada, en las características de salida podemos deducir la resistencia de salida de la forma: ariación de la tensión ce con respecto a c. Otro factor que podemos deducir es la ganancia de corriente del transistor (β). De las curvas se deduce, al ser casi horizontal, que la resistencia de salida será muy elevada.

7 7 ecta de carga. s conveniente fijar el punto de trabajo del transistor, dependiendo de la tarea que queremos que éste realice en un circuito y utilizando las curvas antes vistas. Para ello se ha de polarizar al transistor con algunos de los circuitos de polarización que veremos a continuación, pero antes de ello haremos referencia a la recta de carga de un transistor. Para obtenerla deberemos volver a la familia de curvas de salida ya vista. La recta de carga es útil dado que nos muestra, en forma gráfica, todos los puntos de trabajo posibles del transistor para una polarización dada. (ma) 4 6 P Q P n la figura podemos ver la recta de carga superpuesta a la familia de curvas de salida, en la que vemos varios puntos de interés, los que pasamos a explicar a continuación: Para el cálculo de la recta de carga consideraremos al transistor en dos de sus estados: corte y saturación. n el estado de corte c es prácticamente cero, entonces podemos concluir que c ce, la que en nuestro ejemplo es de 12. ntonces con c 0 y ce 12 obtenemos el primer punto de la recta de carga, al que llamamos P 1 en la gráfica. n el estado de saturación tenemos que ce 0 con lo que entonces podemos calcular el valor de c que será c c / c que en nuestro ejemplo da 12 / 2000 Ω 6 ma. Al punto ce 0, c 6 ma lo llamamos P 2 en la gráfica. Si unimos P 1 y P 2 obtendremos la recta de carga buscada.

8 8 Para obtener el punto de trabajo (Q) del transistor necesitamos saber b, de esta forma el punto Q es el punto de intersección de la recta de carga con la curva correspondiente al valor de la corriente que opera el transistor en ese instante ( b ). La recta de carga puede ser diferente con cada transistor y cada punto de polarización. Proyectando al punto Q sobre los ejes coordenados de la gráfica obtendremos los valores de c y ce, denominados en el gráfico como c1 y ce1.

9 9 ircuitos de polarización. omenzaremos ahora sí con los circuitos para polarizar a los transistores. La tarea de estos polarizadores no es otra que la de hacer que a las distintas patas del transistor le lleguen diferentes tensiones, pero a partir de una única fuente de alimentación, intentando, además, hacer que el parámetro β sea lo más estable posible, es decir, que no varíe con los diversos factores externos que pueden llegar a alterar al mismo. 1. Polarización Fija. La corriente de base se obtiene a través de 1. ste tipo de polarización se utiliza en circuitos que trabajan en conmutación, no siendo aconsejable su uso en transistores a los que se desea trabajen en la zona activa. cc onsidérese primero la malla circuito baseemisor. scribiendo la ecuación de voltaje de Kírchhoff para la malla obtenemos: ; cc con lo que cc Ahora veamos la malla de colectoremisor de la red. La magnitud de la corriente de colector se relaciona directamente con por medio de: β

10 10 Aplicando la ley de voltaje de Kirchhoff en la dirección de las manecillas del reloj a lo largo de la malla colectoremisor, se obtendrá el resultado siguiente cc cc Saturación del transistor. Para la configuración de polarización fija, en saturación el voltaje a través de es el voltaje aplicado cc. La corriente de saturación resultante para la configuración de polarización fija es: SAT

11 11 2. Polarización estabilizada de emisor. Por medio de ésta logramos una mayor estabilidad del punto Q. cc eamos la malla de base a emisor. Al aplicar la ley de voltaje de Kirchhoff alrededor de la malla indicada en dirección de las manecillas del reloj, obtendremos como resultado la siguiente ecuación: obtenemos e β; entonces β ( β 1) y resolvemos ( β 1)

12 12 se despeja y nos queda ( β 1) Aplicando la ley de voltaje de Kirchhoff para la malla colectoremisor indicada en dirección de las manecillas del reloj, resultará que sustituyendo y agrupando términos da ( ) ( )

13 13 3. Polarización por divisor de tensión. Las resistencias 1 y 2 forman un divisor de tensión, lo cual le da el nombre a la configuración. ste tipo de polarización es uno de los más idóneos y el mejor para trabajar en la zona activa del transistor. cc 1 2 Análisis exacto. Se redibuja la malla de entrada a la base como en la siguiente figura: 1 2 Thévenin

14 14 La red de Thévenin equivalente para la red a la izquierda de la terminal de base puede hallarse entonces de la siguiente manera: Th: La fuente de voltaje se reemplaza por un corto circuito equivalente // Th 1 2 Th: La fuente de voltaje se reintegra a la red y el voltaje Thévenin del circuito abierto se determina como sigue: Aplicando la regla del divisor de voltaje: Th La red Thévenin se vuelve a dibujar entonces, como se ilustra en la figura, Th Th e Q se puede determinar al aplicar en primer lugar la ley de voltaje de Kirchhoff en dirección de las manecillas del reloj para la malla indicada: Th TH Sustituyendo ( β 1) y resolviendo, llegamos a

15 15 Una vez que se conoce, las cantidades restantes de la red pueden encontrarse del mismo modo que se hizo para la configuración polarizada de emisor. sto es: ( ) jemplos aplicando las polarizaciones anteriores. 1. Determinar lo siguiente para la malla de polarización fija: Q e Q Q y cc kω 2.2 kω β kΩ cc 47.08µ β ( 50)(47.08µ A) 2. 35mA 12 (2.35mA)(2.2kΩ) 6. cc 83 A

16 16 2. Para la red de polarización en emisor, calcule: cc kω 2 kω β 50 1 kω ( β 1) kΩ (51)(1k Ω) 481kΩ µ β ( 50)(40.1µ A) 2. 01mA ( ) 20 (2.01mA)(2kΩ 1kΩ) A

17 17 3. Determine el voltaje de polarización ÿ la corriente para la siguiente configuración de divisor de voltaje: cc 1 39 kω 10 kω kω 1.5 kω β 140 (39kΩ)(3.9kΩ) Th 1 // KΩ 39kΩ 3.9kΩ (22 )(3.9kΩ) 39kΩ 3.9kΩ 2 2 Th Th ( β 1) kΩ (141)(1.5kΩ) µ Th β ( 140)(6.05µ A) 0. 85mA ( ) mA(10kΩ 1.5kΩ) A