TRANSISTOR BIPOLAR CORRIENTES EN UN TRANSISTOR

Transcripción

1 El transistor de unión bipolar (BJT) Bipolar Junction Transistor, consiste en un cristal de silicio (o germanio) en el que una capa de silicio tipo n está colocada entre dos capas de silicio tipo p. Un transistor también puede estar constituido por dos capas de material n que encierran una capa de semiconductor tipo p. En el primer caso, el transistor se define como transistor pnp y en el segundo npn. Las tres parte del transistor se conocen con los nombres de emisor, base y colector. La flecha del emisor indica la flecha de la corriente cuando la unión emisor-base está polarizada en sentido directo. En todos los casos, para el emisor, la base o el colector- las corrientes I E, I B e I C, se consideran positivas cuando vayan hacia el interior del transistor. Los símbolos V BE, V CE y V CB, representan las tensiones base emisor, colector emisor y colector base. NPN PNP 1

2 COIENTES EN UN TANSISTO Las dos uniones del transistor deben polarizarse adecuadamente. La unión colector base debe polarizarse inversamente para que funcione correctamente. En un transistor NPN el colector ha de ser positivo respecto a la base. En un transistor PNP, el colector ha de ser negativo respecto a la base. Los transistores PNP y NPN no son intercambiables. La unión base emisor debe polarizarse directamente. Esto hace que la resistencia de la unión base-emisor sea muy pequeña comparada con la resistencia de la unión colector-base. Las corrientes en el transistor son: I E e I C grandes, I B pequeña. La corriente más intensa es la corriente colector es menor, aunque en muy poco. de emisor. La corriente de I E = I C + I B En términos porcentuales 100% = 99% + 1% La corriente de base es muy débil, pero muy importante. Si no hay corriente de base, no hay corriente de emisor y no hay corriente de colector. El hecho de que una reducida corriente de base gobierne unas corrientes de emisor y colector, mucho mas intensas, muestra el modo en el que los transistores son aptos para conseguir una gran ganancia de intensidad. Una de las características mas importantes del transistor es la relación entre las intensidades de base y colector. Esta característica se le denomina β (beta) o h fe. IC IC β = o bien h = FE IB IB Los transistores NPN se han extendido más que los PNP. Los electrones tienen mayor movilidad que los huecos; es decir, se mueven con mayor rapidez dentro de la estructura cristalina. Esto confiere ventajas a los transistores NPN en los circuitos de alta frecuencia, donde la rapidez es esencial. En sus líneas los fabricantes mantienen mayor número de transistores NPN. Por último, muchas vece3s es más 2

3 conveniente emplear componentes NPN en los sistemas con negativo a masa. CONEXIÓN EMISO COMÚN Existen tres formas útiles de conectar un transistor: en EC (emisor común), en CC (colector común), o en BC (base común). C B Q1 VCC VBB En la conexión emisor común, el lado común o masa de cada fuente de tensión está conectado al emisor. Debido a esto el circuito se conoce como configuración en emisor común. (EC). El circuito tiene dos mallas. La malla de la izquierda es el circuito de base y la de la derecha es el circuito de colector. En la malla de base, la fuente V BB polariza en directo al diodo emisor con B como resistencia limitadora de corriente. Usando diferentes valores de V BB o B se puede controlar la corriente de base. En el circuito de colector hay una fuente de tensión de valor V CC que polariza en inversa al diodo colector a través de C. La fuente de tensión V CC debe polarizar inversamente el diodo de colector o, de lo contrario, el transistor no funcionaría adecuadamente. Subíndices dobles En los circuitos con transistores se usa notación de doble subíndice. Cuando los subíndices son iguales, la tensión representa una fuente (V BB y V CC ). Cuando los subíndices son diferentes representan las tensiones entre los puntos V BE y V CE. 3

4 Por ejemplo los subíndices V BB son los mismos, lo que significa que V BB es la fuente de tensión de la base. Similarmente V CC es la fuente de tensión del colector. Por otro lado, V BE es la tensión entre los puntos B y E, entre la base y el emisor. De la misma manera V CE es la tensión entre los puntos C y E entre el colector y el emisor. Los subíndices simples se usan para las tensiones de los nodos, es decir, tensiones entre el punto del subíndice y masa. La tensión VB es la tensión entre la base y masa, la tensión VC es la tensión entre el colector y masa, y la tensión VE es la tensión entre el emisor y masa. V CE = V C - V E V CB = V C V B V BE = V B - V E CUVA CAACTEÍSTICA DE ENTADA La unión base emisor se comporta como un diodo., por lo que cabe esperar una curva similar a la característica de corriente en función de la tensión de un diodo. V BB = B *I B + V BE utilizamos V BE = 0,7 V Supongamos que tenemos un circuito con un B =100 k C = 1k, V BB = 2 V y un transistor NPN con una β = 200. Calcular la intensidad de base? Intensidad de colector? I B = (V BB V BE )/ B = 1,3 V/ 100k = 13uA I C = β I B = 200 * 13 ua = 2,6 ma. 4

5 CUVA CAACTEÍSTICA DE SALIDA Midiendo I C y V CE, podemos obtener una curva de I C, en función de V CE. Por ejemplo, supongamos que que ajustamos el valor de V BB para obtener I B = 10 ua. Entonces se puede variar V CC, y medir los valores resultantes de I C y V CE. Trazando los datos, se dibuja la curva de la figura. Esta curva es del transistor 2N3904, un transistor de baja potencia. Cuando V CE es cero, el diodo de colector no tiene polarización inversa. Esta es la razón por la que la curva muestra una corriente de colector cero. Cuando V CE crece desde cero, la corriente de colector se eleva rápidamente. Cuando V CE es de pocas decenas de voltios, la corriente de colector se hace casi constante e igual a 1 ma. La zona de corriente constante se relaciona con la polarización inversa de la unión de colector. La gráfica muestra un zona de I C constante entre V CE 1 voltio y 40 V. Si V CE supera los 40 V, el diodo de colector entra en la zona de ruptura y se pierde el funcionamiento normal del transistor. Por esta razón una de las limitaciones que hay que tener en cuenta al diseñar un circuito con un transistor es la V CEmax. Si el transistor entra en la zona de ruptura se destruirá 5

6 TENSIÓN Y POTENCIA DE COLECTO La ley de Kirchhof señala que la suma de todas las tensiones a lo largo de una malla o trayectoria cerrada es igual a cero. Si se aplica al circuito del colector: V CC = V CE + C * I C El transistor presenta una disipación de potencia aproximadamente: P D = V CE *I C Esta ecuación dice que la potencia disipada por el transistor es igual a la tensión colector-emisor multiplicada por la corriente de colector. Esta es la potencia que hace que aumente la temperatura de la unión del diodo de colector. Cuanto mayor sea la potencia mayor será la temperatura de la unión. El transistor se quemará si la temperatura de unión llega a valores comprendidos entre 150 y 200ºC. Una de las informaciones más importantes que aparece en la hoja de características es la potencia máxima P Dmax. El consumo de potencia debe ser menor que P Dmax para evitar la destrucción del transistor. ZONAS DE FUNCIONAMIENTO 6

7 Zona Activa: Es zona central en la que el valor de V CE puede estar comprendido entre 1 y 40 V, aproximadamente. Es la zona más importante porque representa el funcionamiento del transistor. En ella la unión de emisor esta polarizada directamente y la unión de colector esta polarizada en inverso. En esta zona la corriente de colector es constante para una I B constante. Zona de Saturación: Es la zona ascendente donde V CE esta comprendida entre cero y unas pocas decenas de voltio. En esta zona I C < β*i B Zona de Corte: Existe una pequeña corriente de colector para I B = 0. Esta corriente I CEO suele ser de unos 50 na para el transistor 2N3904, cuando su corriente nominal es I C =1m A. La I CEO es la corriente real del colector con su unión polarizada en sentido inverso y la base en circuito abierto 7

8 VAIACIONES DE GANANCIA DE COIENTE La ganancia de corriente de un transistor β, depende de tres factores: el transistor, la corriente de colector y la temperatura. Por ejemplo, cuando se reemplaza un transistor por otro del mismo tipo, normalmente cambia la ganancia de corriente. Del mismo modo, si la corriente de colector o la temperatura cambian, la ganancia de corriente cambiará. Peor y mejor caso Por ejemplo la hoja de características de un 2N3904 indica una h FE mínima de 100 y una h FE máxima de 300 cuando la temperatura es de 25ºC y la corriente de colector es de 10mA. Si se producen en serie miles de circuitos que utilicen el transistor 2N3904, se verá que algunos de los transistores tienen una ganancia de corriente de apenas 100 (peor caso), mientras que en otros la ganancia de corriente llega a ser hasta de 300 (mejor caso). Efecto de la corriente y la temperatura Cuando la temperatura es de 25ºC (la curva del medio), la ganancia de corriente es 50 a 0,1 ma. A medida que la corriente se incrementa de 0,1 ma a 10 ma, hfe aumenta a un máximo de 100. Después disminuye a menos de 20 a 200 ma. Cuando la temperatura disminuye la ganancia de corriente es menor (curva inferior). Por otro lado, cuando la temperatura aumenta, hfe crece en casi todo el margen de valores de corriente (curva superior). Idea Principal eemplazar un transistor, cambiar la corriente de colector o variar la temperatura, puede producir grandes cambios en hfe. A una 8

9 temperatura dada, es posible un cambio de 3:1 cuando se reemplaza un transistor. Cuando la temperatura varía es posible un cambio adicional de 3:1. Y cuando la corriente varía, es posible una variación mayor que 3:1. En resumen, el 2N3904 puede tener una ganancia de corriente menor que 10 a una mayor que 300. En cualquier caso, cualquier diseño que dependa de un valor preciso de ganancia de corriente fallará en la producción en serie. 9

10 ECTA DE CAGA C 3kOhm B V2 15 V NPN V1 15 V El circuito de la figura es un ejemplo de polarización de base, lo que significa establecer un valor constante para la corriente de base. Por ejemplo si B es igual a 1M la corriente de base es 14,3uA. Incluso si se reemplaza el transistor o cambia la temperatura la corriente de base permanece constante o aproximadamente 14,3uA bajo todas las condiciones de funcionamiento. Si β=100 la corriente de colector es aproximadamente 1,43 ma tensión colector emisor es: y la V CE = V 1 I C C = 15 (1,43mA)(3K) = 10,7V Por tanto el punto de trabajo Q es I C = 1,43mA y V CE = 10,7V Solución Gráfica Podemos encontrar el punto Q usando una solución gráfica basada en la recta de carga de un transistor, I C respecto V CE. La tensión colector emisor viene dada por: V CE = V 1 - I C C esolviendo para IC obtenemos: I C = (V 1 V CE )/ C 10

11 Si representamos esta ecuación I C =f(v CE ) obtenemos una línea recta que se denomina recta de carga porque representa el efecto de la carga en I C y Por ejemplo sustituyendo valores obtenemos la ecuación I C = (15 V CE ) / 3k. Esta es una ecuación lineal, cuya gráfica es una línea recta. (Nota: una ecuación lineal es aquella que se puede reducir a la forma estándar y = mx + b). Los extremos de la recta de carga se calculan de la siguiente forma: Para V CE = 0 -> I C = 15V/ 3k = 5 ma Los valores I C = 5mA y V CE = 0, aparecen como el extremo superior de la recta de carga. Para I C = 0 -> V CE = 15 V Si introducimos una resistencia variable en la base y vamos aumentado su valor desde cero hasta infinito, la corriente de colector y la tensión colector emisor también cambian. Si se dibuja cada par de valores IC y VCE, lo que se obtiene es una serie de puntos de trabajo localizados sobre la recta de carga. Por lo tanto dicha recta carga es un resumen visual de todos los posibles puntos de funcionamiento del transistor. Punto de saturación Cuando la resistencia de base es demasiado pequeña, hay exceso de corriente de colector, y la tensión colector-emisor tiende a cero. En este 11

12 caso el transistor se satura, lo que significa que la corriente de colector ha crecido hasta su valor máximo posible. El punto de saturación es el punto en que la recta de carga corta a la zona de saturación de las curvas de salida. Como la tensión colectoremisor en saturación es muy pequeña, el punto de saturación es casi idéntico al extremo superior de la recta de carga. El punto de saturación se puede tomar se puede tomar como el extremo superior de la recta de carga, pero teniendo en cuenta que esta aproximación implica un pequeño error. Por lo tanto el punto de saturación indica la máxima corriente de colector que es posible alcanzar en el circuito. El Punto de Corte El punto de corte es el punto en el que la recta de carga corta a la zona de corte de las curvas de salida. Como la corriente de colector en corte es muy pequeña, el punto de corte es casi idéntico al extremo inferior de la recta de carga. El punto de corte indica la máxima tensión colector-emisor que es posible alcanzar en el circuito. 12

13 COMO ECONOCE LA SATUACIÓN Hay dos tipos básicos de circuitos de transistores: amplificadores y conmutadores. Con los circuitos amplificadores, el punto Q debe permanecer en la zona activa bajo todas las condiciones de funcionamiento. Si no lo hace, la señal de salida se verá distorsionada en los picos, donde ocurre la saturación y el corte. Con los conmutadores, el punto Q normalmente conmuta entre saturación y corte. educción al absurdo Supongamos que el transistor de la figura tiene una tensión de ruptura mayor que 20V. Entonces sabemos que no esta funcionando en la zona de ruptura. Además podemos deducir por las tensiones de polarización que el transistor no esta actuando en la zona de corte. Sin embargo, lo que no esta tan claro es si el transistor está trabajando en la zona activa o en la de saturación. Debe de estar haciéndolo en una de las dos regiones, pero en cuál? C 10kOhm B 100kOhm V2 10 V NPN V1 20 V 13

14 Las personas que detectan averías y los diseñadores suelen usar el siguiente método para saber si un transistor está funcionando en la zona activa o en la de saturación. Éstos son los pasos del método. 1. Se supone que el transistor funciona en la zona activa. 2. Se calculan las tensiones y corrientes. 3. Si algún resultado es absurdo, la suposición es falsa Método de la tensión de colector Calculamos la corriente de base, V = I + V B B B BE VB VBE 10 0,7 IB = = = 0, 093mA 100K B Con una ganancia de corriente de β=50, la corriente de colector es: I C = 50(0,093mA)= 4,65 ma. Planteamos la ecuación de la malla Colector Emisor y calculamos V CE. V CE = V1 I C C = 20 (4,65mA)(10K) = -26,5 V Obtenemos una tensión colector emisor: V CE = -26,5V Este resultado es absurdo porque la tensión colector-emisor no puede ser negativa; por lo tanto el transistor no estará funcionando en la zona activa y estará en la zona de saturación. Método de la corriente de saturación Comenzamos calculando la corriente de saturación: V1 VCESAT 20 0,2 IC = = = 1, 98mA 10 C 14

15 Si el transistor de base VB VBE 10 0,7 IB = = = 0, 093mA 100K Si calculamos la corriente que tendria el transistor en la zona activa: I C = 50(0,093mA)= 4,65 ma B Por lo tanto resultado es absurdo, porque la corriente de colector no puede ser mayor que la de saturación. Por tanto el transistor no puede funcionar en la zona activa. Debe estar en la zona de saturación 15

16 POLAIZACION DE LOS TANSISTOES POLAIZACION PO DIVISO DE TENSIÓN Análisis Simplificado Para la detección de averías y los análisis preliminares, se usará el siguiente método: en todos los circuitos de polarización por divisor de tensión bien diseñados, la corriente de base es mucho menor que la corriente que atraviesa el divisor de tensión. Como la corriente de base tiene un efecto despreciable en el divisor de tensión, podemos abrir mentalmente la conexión entre el divisor de tensión y la base para conseguir el circuito equivalente. En este circuito, la tensión de salida del divisor es la siguiente: V = 2 1 V + CC 2 Idealmente esta es la fuente de tensión en la base. Como puede apreciarse, la polarización por división de tensión es realmente una polarización de emisor enmascarada; es decir, la figura 16

17 8-1c es el equivalente al circuito 8-1a, de ahí que la polarización por división de tensión mantenga un valor fijo de corriente de emisor, dando lugar a la independencia del punto Q frente a la ganancia de corriente. Existe un error en esta aproximación simplificada. El punto crucial es el siguiente: en cualquier circuito bien diseñado, el error al usar la figura 8-1c es muy pequeño. Por ello, un diseñador escoge deliberadamente valores de circuito para que la figura 8-1ª actúe deliberadamente como la figura 8-1c. Conclusión Este es el resumen de las ecuaciones que puede utilizar para el análisis de una polarización por divisor de tensión: V = 2 1 V + CC 2 V E = V BB V BE I = E V E E IC I E V CE = V CC I C C 17

18 V CE = V C V E Estas ecuaciones están basadas en las leyes de Ohm y Kirchhoff. Los pasos del análisis son: 1. Calcular la tensión de base VBB a través del divisor de tensión. 2. estar 0,7 V para conseguir la tensión de emisor (0,3 para el germanio). 3. Dividir por la resistencia de emisor para obtener la corriente de emisor. 4. Suponer que la corriente de colector es aproximadamente igual a la corriente de emisor. 5. Hallar la tensión de colector a masa restando la tensión a través de la resistencia de colector a la tensión de alimentación del colector. 6. Calcular la tensión emisor-colector restándole la tensión de emisor a la de colector. 18

19 ANÁLISIS EXACTO DE LA POLAIZACIÓN PO DIVISO DE TENSIÓN Si calculamos el equivalente de Thevenin del circuito: Sustituimos por el equivalente de Thevenin: V TH = V BB = 2 1 V + CC 2 TH = // 1 2 = B = El circuito queda simplificado de la siguiente forma: 19

20 VCC 10V C TH VTH E V TH = TH I B + V BE + E I E V BE = 0,7 V. I E = I C = ß*I B V TH = I + 0, 7 + β I TH B E B V TH = B TH E 0,7 + I ( + β ) Sustituyendo obtenemos que la tensión de base es: I B = ( V 0, 7) TH + β TH E I C = ( V 0, 7) TH TH + E β 20

21 21

22 OTOS TIPOS DE POLAIZACIÓN POLAIZACIÓN DE BASE VCC C B Este circuito es el peor en cuanto a la estabilidad del punto Q. El punto Q se desplazará a lo largo de la recta de carga con cambios de temperatura o sustitución del transistor. 22

23 POLAIZACIÓN CON EALIMENTACIÓN DE EMISO Si introducimos una resistencia de emisor estabilizamos el punto Q. El proceso es el siguiente si I C aumenta, V E crece y lo hace también V B. Mayor V B significa menor tensión a través de B, con lo que disminuye I B y como consecuencia disminuirá I C. VCC B C E I E = (V CC - V BE ) /( E + B /ß) V E = I E * E V B = V E + 0,7 V C = V CC - I C * C 23

24 POLAIZACÓN CON EALIMENTACIÓN DE COLECTO VCC C B Esta polarización neutraliza los cambios de corriente de colector. Por ejemplo, si aumenta la corriente de colector. Esto hace decrecer la tensión de colector, con lo que desciende la tensión en la resistencia de base. Por tanto disminuirá la corriente de base, lo cual se opone al inicial cambio de corriente en el colector. Suponemos I C >> I B I C ( V = ( CC C VBE ) B + ) β V B = 0,7 V C = V CC I C C 24