EL42A - Circuitos Electrónicos

Transcripción

1 EL42A - Circuitos Electrónicos Clase No. 9: Transistores Bipolares (3) Patricio Parada [email protected] Departamento de Ingeniería Eléctrica Universidad de Chile 1o. de Septiembre de /

2 Contenidos 1 Análisis DC 2 /

3 Ejemplo El transistor de la figura tiene un factor de ganancia β = 100, y cuando v BE = 0,7[V ], i C = 2[mA]. Diseñe un circuito de forma que i C = 2[mA] y v C = 5[V ] (el voltaje colector-tierra). 3 /

4 Solución I Solución Dato: I C = 2 [ma] Luego, y I B = I C β = 2 = 0,02 [ma] (1) 100 I E = I B + I C = 2,02 [ma]. (2) Por otro lado, v C = 5 [V], y R C I C = V cc V C = 15 5 = 10 [V] R C = 10 2 [kω] = 5 [kω]. (3) 4 /

5 Solución II Solución (cont.) Necesitamos el valor de V E para determinar R E : I E R E = V E V EF R E = V E (+5) 2,02 [ma] (4) Por otro lado V E = V BE. Sabemos que I C = 1 [ma] cuando V BE = 0,7 [V] Si I C = 2 [ma], V BE =? De la característica del transistor: i C = I S e v BE/v T 1 2 = I Se 0,7/v T I S e v BE/v T 5 /

6 Solución III Solución (cont.) 1 2 = e(0,7 v BE)/v T 0,7 v T ln(1/2) = v BE Como v T = 25 [mv] a temperatura ambiente Por lo tanto: V E = V BE = 0,717 [V] R E = 0, [V] 2,02 [ma] = 7,07 [kω] (5) 6 /

7 Circuito Equivalente DC Si el transistor no se encuentra saturado, el modelo EM puede simplificarse al circuito equivalente 7 /

8 Técnicas para resolver circuitos DC con BJT I Analizar la respuesta DC de un circuito con un transistor bipolar requiere conocer el modo de operación del mismo. Si esto no resulta obvio, uno debe asumir como hipótesis alguno de los modos de operación y verificar mediante el análisis la coherencia de la suposición. 8 /

9 Técnicas para resolver circuitos DC con BJT II Procedimiento para Análisis DC de Circuitos con BJTs 1 Asumir que el transistor está polarizado en el modo activo. En este caso V BE = V BE(on), I B > 0 e I C = βi B. 2 Analizar el circuito resultante usando el circuito DC equivalente. 3 Evaluar los resultados en luz de lo siguiente: Si V CE > V CE((sat)) e I B > 0 el transistor está en el modo activo. Si I B < 0 el transistor está en corte. Si V CE < V CE((sat)) el transistor está en saturación. 4 De ser necesario, reanalizar cambiando la hipótesis inicial. 9 /

10 Circuito npn de Emisor Común I 10 /

11 Circuito npn de Emisor Común II Configuración utilizada en muchos circuitos amplificadores. La figura muestra un circuito con un npn y su equivalente DC. En general asumiremos que la juntura BE está polarizada en forma directa con V BE(on). Despreciamos el efecto Early y las corrientes de fuga. Si V BB > V BE(on) tenemos que I B = V BB V BE(on) R B. (6) Si V BB < V BE(on) el transistor está en corte e I B = /

12 Circuito npn de Emisor Común III Considerando el modo activo podemos aplicar y o equivalentemente I C = βi B = β(v BB V BE(on) ) R B. (7) V CC = I C R C + V CE (8) V CE = V CC I C R C. (9) 12 /

13 Ejemplo 1 Ejemplo Determine las corrientes de base, colector y emisor y el voltaje entre colector y emisor en el circuito emisor común de la figura. Datos: V BB = 4 V V CC = 10V V BE(on) = 0,7 V R C = 2 kω R B = 220 kω β = /

14 Solución Asumimos operación en el modo activo. La corriente de colector es La corriente de emisor es Finalmente I B = V BB V BE(on) = 4 0,7 = 15 µa. R B 220 I C = βi B = µa = 3 ma. I E = (1 + β)i B = µa = 3,02 ma. V CE = V CC I C R C = = 4 V. 14 /

15 Observaciones Verificamos que efectivamente el transistor opera en el modo activo: V BB = 4 > 0,7 = V BE(on) V CE = 4 > 0,7 = V BE(on) En un circuito real es posible que V BE no sea exactamente 0.7, que es lo que hemos asumido al utilizar el modelo de fuente para la juntura BE. El efecto de este error es despreciable. Existen algunos errores de redondeo en el problema. Notamos que I B = I E I C = 20 µa. en lugar de 15 µa como fue determinado originalmente. 15 /

16 Circuito pnp de Emisor Común I 16 /

17 Circuito pnp de Emisor Común II Al conectar el emisor a tierra, se deben invertir las polaridades de las fuentes V BB y V CC con respecto al circuito con un transistor npn. Tenemos I B = V BB V EB(on) R B (10) I C = βi B (11) V CE = V CC I C R C. (12) 17 /

18 Ejemplo 2 Ejemplo Determine las corrientes de base, colector y emisor y la resistencia R C en el circuito emisor común de la figura, de forma tal que V EC = 1 2 V CC. Datos: V BB = 1,5 V V CC = 5V V EB(on) = 0,6 V R B = 580 kω β = /

19 Solución Asumimos operación en el modo activo. I B = V CC V EB(on) V BB = R B La corriente de colector es La corriente de emisor es Finalmente, como tenemos que 5 0,6 1,5 580 I C = βi B = µa = 0,5 ma. I E = (1 + β)i B = µa = 0,505 ma. V EC = 1 2 V CC = 2,5 V, R C = V CC V EC = 5 2,5 = 5 kω. I C 0,5 = 5 µa. 19 /

20 Recta de Carga y Modos de Operación I La recta de carga es una ayuda gráfica que permite visualizar la posición del punto de operación del circuito, así como el modo de operación del transistor. La recta de carga se obtiene de la ley de voltajes de Kirchhoff en el loop BE: I B = V BB R B V BE R B. (13) Podemos plantear una segunda recta de carga en términos de la corriente I C escribiendo la ley de voltajes de Kirchhoff en el loop CE: I C = V CC R C V CE R C. (14) 20 /

21 Recta de Carga y Modos de Operación II 21 /

22 Recta de Carga y Modos de Operación III Los puntos extremos de la recta de carga se obtienen fijando y fijando I C = 0 V CE = V CC V CE = 0 I C = V CC R C. (15) El punto Q (quiescent point) es el punto de operación del transistor y corresponde a la coordenada (V CEQ, I CQ ) para una determinada corriente de base I BQ. El punto de operación se obtiene como la intersección entre la recta de carga y la curva característica V CE vs. I C para una determinada corriente de base I BQ. 22 /

23 Recta de Carga y Modos de Operación IV Si V BB < V BE(on) el transistor está en corte y la corriente I B = I C = I E = 0. A medida que I B aumenta, se entra al modo activo hasta un punto límite en el que la corriente I C comienza a decrecer. En este punto el transistor entra en saturación. Este voltaje C E es característico de cada transistor y se denota por V CE (sat). 23 /

24 Ejemplo 3 Ejemplo Determine las corrientes y voltaje en el circuito de modo de saturar el transistor. Datos: V BB = 8 V V CC = 10V V BE(on) = 0,7 V R C = 4 kω R B = 220 kω β = /

25 Solución I Determinemos primero la corriente en la base: I B = V BB V BE(on) = 8 0,7 = 33,2 µa. R B 220 Si asumimos que el transistor está en el modo activo, entonces El voltaje colector-emisor es I C = βi B = ,2 µa = 3,32 ma. V CE = V CC I C R C = 10 3,32 4 = 3,28 V. 25 /

26 Solución II Notamos que V CE < 0 lo cual no puede darse en el modo activo. Por lo tanto, el transistor está saturado. Esto significa que V CE = V CE (sat) = 0,2 V y por lo tanto V CE (sat) = V CC I C (sat)r C I C (sat) = V CC V CE (sat) 10 0,2 = = 2,45 ma. R C 4 Notamos que en este caso I C = 2,45 = 74 < β. I B 0, /

27 Solución III La corriente de emisor es I E = I C + I B = 2,45 + 0,033 = 2,48 ma. 27 /

28 Otras Configuraciones Típicas I Determinación punto Q Ley de voltajes en loop BE: V BB = I B R B + V BE (on) + I E R E Asumimos que el transistor está polarizado en el modo activo I B = V BB V BE (on) R B + (1 + β)r E. (16) Escribir I C = βi B I E = (1 + β)i B V CE = V CC I C R C I E R E. 28 /

29 Otras Configuraciones Típicas II Determinación Recta de Carga Ley de voltajes en loop CE: ( 1 + β ] V CE = V CC I C [R C + )R E β (17) 29 /

30 Otras Configuraciones Típicas III Determinación punto Q Ley de voltajes en loop BE: 0 = V BE (on) + I E R E + V I E = V BE(on) V R E Asumimos que el transistor está polarizado en el modo activo I B = β I E I C = β 1 + β I E V CE = V + I C R C I E R E V 30 /

31 Otras Configuraciones Típicas IV Recta de Carga ( 1 + β ] V CE = V + V I C [R C + )R E. (18) β /