Unidad Orientativa (Electrónica) Transistores. Curso introducción a los Transistores Modulo Electrónica Autor: Ing. Martin A.

Transcripción

1 Unidad Orientativa (Electrónica) 1 Transistores

2 Índice Temático 2 1. Que es un TRANSISTOR 2. Transistores Principios de funcionamiento 3. Polarización del transistor 4. Parámetros β 5. Cálculos para métodos de polarización 6. Practico Nº1 (Corte-Saturación) 7. Practico Nº2 (MAD Modo Activo Directo) 8. Practico Nº3 (Calculo y diseño de circuito para polarizar un Transistor)

3 1- Que es un Transistor - Los transistores han facilitado en gran medida el diseño de circuitos electrónicos de reducido tamaño, gran versatibilidad y facilidad de control. Estos vienen a sustituir a las antiguas válvulas termoiónicas. 3 Gracias a los transistores se pudieron hacer equipos portátiles a pilas u baterías, ya que los aparatos valvulares, trabajan a tensiones muy altas, y tardaban en su momento hasta 30 segundos en empezar a funcionar. El transistor es un elemento electrónico con tres terminales, formado por tres capas de material semiconductor que alternan el dopado tipo N y tipo P. Según la conformación de estas tres capas de semiconductores (que son cristal), nos podemos encontrar con dos tipos de configuraciones, o mejor dicho, nos podemos encontrar con dos tipos de transistores... Los transistores NPN, y los transistores PNP.

4 2- Transistores Principios de funcionamiento - Para que un transistor funcione correctamente, deben aplicarse unas tensiones continuas a sus terminales. Si mediante una fuente conformada por dos baterías aplicáramos unas tensiones positivas a la base y al colector de un transistor NPN, respecto del emisor y la base respectivamente, el diodo PN formado por la base y el emisor, estará polarizada directamente produciendo una corriente "Base-Emisor"; En el caso de los transistores PNP, seria la inversa. 4 Seria de esperar que esta corriente de electrones que salen del emisor lleguen íntegramente a la base y drenen por ahí, pero esto no ocurre así, dado que en este caso son atraídos por la tensión positiva del colector, así que podemos decir que la mayoría se dirige al mismo. Para acentuar este efecto producido, la base se construye poco dopada y muy estrecha, osea, se aplica una pequeña corriente, para poder mover una mayor. Veamos una comparación de un caso de la vida real para acentuar mas la idea del principio de funcionamiento de los transistores... Tratemos de Imaginar un tanque de agua con tres compartimentos internos separados entre si por dos compuertas mecánicas que tienen el siguiente orden E- C1 - B - C2 - C (similar al de estas figuras)

5 Como podemos observar en las imágenes, estos compartimentos (E / B / C Emisor / Base / Colector), debajo de ellos, tenemos un sistema de ductos (cañerías), que poseen dos bombas hidráulicas.(p1 y P2). La bomba P1, es la encargada de aspirar agua del compartimiento E y la introduce en B. 5 La bomba P2, comunica E con C, osea, aspira agua del compartimiento E y la introduce en C.

6 Bien, hasta acá, ya tenemos en claro que función cumple cada componente en este sistema de tanques, pero que tiene de similar el funcionamiento de este complejo sistema de agua, con un transistor? Bien, comencemos a describir por pasos y notaran cuales son las similitudes. La bomba P1 absorbe agua de E y la introduce en B. Al llegar este compartimiento a un cierto nivel de agua en su interior, la misma presión ejercida por el peso del agua abre la compuerta C1 y deja ceder el agua hacia E. Al mismo tiempo que deja ceder el agua hacia el compartimiento E, un sistema mecánico, trabaja sobre la compuerta C2 que comunica los compartimentos C y E, logrando así que el agua que circulaba entre E y C por la acción de la bomba P2, salga con mucha presión desde el compartimiento C hasta el E. 6 La corriente de agua que circula entre B y E bajo la acción de la bomba P1, es siempre una corriente débil porque no hay gran esfuerzo que desarrollar para poder levantar la compuerta C2. Además, si esta corriente fuera excesiva, lograríamos llenar el compartimiento B rápidamente y el mismo agua no solo se desbordaría del tanque, si no que también la gran cantidad de liquido no nos dejaría abrir la compuerta C2. La corriente de agua que circula entre C y E bajo la acción de la bomba P2, es siempre una corriente intensa por que la compuerta abre la entrada a una gran circulación de agua.

7 Ahora bien, comparemos lo que dijimos en el principio y comparémoslo con el ejemplo citado. 1- Dijimos que para que un transistor funcione correctamente, deben aplicarse unas tensiones positivas a los terminales de la base y al colector de un transistor NPN. En el caso de los tanques, podemos notar que estas tensiones positivas es el volumen del agua que sumado a la presión ejercida por las dos bombas hidráulicas tenemos el mismo efecto. 2- Si mediante una fuente conformada por dos baterías aplicáramos unas tensiones positivas a la base y al colector de un transistor NPN, respecto del emisor y la base respectivamente, el diodo PN formado por la base y el emisor, estará polarizada directamente produciendo una corriente "Base-Emisor". En el caso de los tanques, si nosotros no tuviéramos la bomba hidráulica P1, no podríamos establecer un llenado en el compartimiento B y generar así una fuerza de desequilibrio entre los compartimientos para generar las aperturas delas puertas y así tengamos un flujo de agua entre los compartimientos En el caso del transistor, seria de esperar que esta corriente de electrones que salen del emisor lleguen íntegramente a la base y drenen por ahí, pero esto no ocurre así, dado que en este caso son atraídos por la tensión positiva del colector, así que podemos decir que la mayoría se dirige al mismo. Para acentuar este efecto producido, la base se construye poco dopada y muy estrecha. En el caso del tanque, el flujo de agua también se esperaría que el agua proveniente del compartimiento E, drene íntegramente en el compartimiento B, pero la misma resistencia ejercida por la bomba P1, deja que la mayoría del flujo sea absorbida por la bomba P2 e introducida en el compartimiento C. 4- Entonces concluimos que en ambos casos, se aplica e implementa una pequeña corriente, para poder mover una mayor.

8 3- Polarización del Transistor - Internamente, podemos observar que el transistor esta compuesto por dos diodos, según su juntura, podremos decir si es un transistor NPN, o un transistor PNP. 8 Para comprender el funcionamiento de estos semiconductores en modo de corte y saturación, recordemos que al principio de este capitulo, les mencione que transistor debe polarizarse para su funcionamiento; osea, la base se construye poco dopada y muy estrecha. La imagen 1, muestra una típica polarización utilizando sólo una fuente de tensión Vcc., RB1 y RB2 son las llamadas resistencias divisoras de base, y Rc la de colector. En este caso no se colocó ninguna resistencia en el emisor.

9 La salida se toma, en este caso, del colector (cuando lleguemos al modo de funcionamiento MAD, veremos que la salida puede ser tomada de cualquiera de los terminales, y de esto depende el nombre de la configuración: colector común, emisor común o base común). Para saber en qué punto esta funcionando el transistor, es decir qué valor tiene IC y qué valor tiene VCE, se realiza un análisis llamado estático o análisis de continua, haciendo referencia a que sólo se tiene en cuenta las fuentes de alimentación de continua.; Para ello se recorre la malla de salida: 9 VCC= Ic.Rc+Vce Ésta fórmula representa una recta, y es llamada Recta de carga estática. Dibujamos ésta recta, en el gráfico ya visto de IC (corriente de colector) en función de VCE (tensión colector emisor). De la intersección de dicha recta y las curvas, obtenemos el punto de funcionamiento del transistor. Los puntos de la recta que cortan los ejes son:

10 Entonces, como dijimos, de la intersección de la curva y la recta, se halla el punto de funcionamiento del transistor. Este punto es llamado punto Q o punto de trabajo del transistor, y para dicho punto obtendremos un ICQ y un VCEQ, correspondiente a la corriente de colector y la tensión entre colector emisor a la cual se esta trabajando. En el gráfico anterior se muestran diferentes puntos posibles de trabajo (Q1, Q2, etc.) Recordando lo expuesto en la entrega anterior, vemos que, si el transistor se encuentra trabajando en el punto Q1, su funcionamiento es en modo saturación, de Q2 a Q4 en MAD y Q5 en corte Parámetros β - Se define el parámetro β a una constante proporcional y como a la relación β= Ic/Ib es decir IC=β.Ib En la practica, β puede valer entre 50 y 300 y llegar a 1000 en algunos transistores, es decir, la intensidad del Colector (Ic), es unas veces mayor que la intensidad de Base (Ib) y proporcionalmente a la misma. Las curvas mas interesantes del transistor, son las de salida. En el siguiente grafico, esta la representación de la intensidad de colector en función de la tensión Colector-Emisor (VCE) para diferentes valores de intensidad de base (Ib).

11 Ahora se preguntaran, que significa y que son la saturación, corte, etc? *Zona Activa: En ella para cada intensidad de BASE, resulta una intensidad de colector (Ic) β veces mayor, manteniéndose sensiblemente constante la tensión Colector-Emisor. La zona activa funciona como amplificador. Para que el transistor funcione correctamente, debe mantenerse su funcionamiento dentro de esta zona. *Zona Saturación: Al entrar en esta zona, la intensidad de colector se dispara convirtiéndose el transistor en un circuito cerrado, osea que cuando por la base circula una intensidad, se aprecia un incremento de la corriente de colector considerable. En este caso el transistor entre colector y emisor, se comporta como un interruptor cerrado; De esta forma se puede decir que la tensión de la batería se encuentra en la carga conectada en el colector. 11 *Zona de Corte: En esta zona la intensidad de colector se anula y el transistor se comporta como un interruptor abierto. Viéndolo de esta manera, el diodo formado por la corriente Base-Colector tiene una intensidad menor a la del Emisor; No circula intensidad por la base, por lo que la intensidad de Colector y Emisor también es nula. La tensión entre Colector y Emisor es la de la batería o fuente. *Zona Prohibida: En ella, el producto de tensión por intensidad supera la potencia máxima tolerable por el transistor, osea que cuando se llega a esta zona, se puede llegar a destruir el transistor.

12 5- Calculo para métodos de polarización - Hay diversas maneras de polarizar a un transistor, en este curso, veremos solo alguna de ellas y aprenderemos como realizar el calculo de polarización para un correcto funcionamiento. Recordando que para que un transistor opere normalmente la unión base-emisor, debe tener polarización directa, en cambio, la unión base-colector debe de tener polarización inversa. Nuevamente, recordemos la recta de carga citada anteriormente Como ya sabemos, la recta de carga es una línea diagonal, que se dibuja sobre la curva de salida del transistor, y que indica los extremos de operación del mismo. Cada uno de los puntos de esta recta, posee como coordenadas un valor de corriente de colector y un voltaje colector-emisor, los cuales a su ves definen el valor de los componentes a ser utilizados en el circuito de polarización.

13 Las principales formulas a memorizar son: Vbe= 0,6v a 0,7v (dependiendo el transistor. Esto se puede saber en la misma hoja de datos del semiconductor) Ic= Ib. Hfe Ie= Ib + Ic RC = Resistencia de Colector SABIENDO QUE... Vcc= Fuente o Voltaje principal 13 Rb = Resistencia de Base Vbb= Fuente o Voltaje secundario Re = Resistencia de Emisor Vbe= Voltaje Base-Emisor RTH= Resistencia equivalente Vbc= Voltaje Base-Colector Ic= Intensidad de Colector Vce= Voltaje Colector-Emisor Ib= Intensidad de Base Vc= Voltaje Colector Ie= Intensidad de Emisor Ve= Voltaje Emisor HFE= Ganancia del transistor Vb= Voltaje Base PD= Potencia del Transistor VTH= Voltaje Equivalente

14 A_ Tenemos Ib=(Vbb - Vbe) / Rb Ic=Ib. Hfe Calculo de circuito Vce Max = Vcc Ic Max = Vcc / Rc Calculo de recta de carga Vce=Vcc - (Ic. Rc) PT=Vce. Ic B_ Calculo de circuito Ib=(Vbb - Vbe) / Rb Ic=Ib. Hfe Calculo de recta de carga Vce Max = Vcc Ic Max = Vcc / Rc Vce=Vcc - (Ic. Rc) PT=Vce. Ic

15 C_ Calculo de circuito RTH= Rb1. Rb2 / (Rb1 + Rb2) VTH= Vcc. Rb2 / (Rb1 + Rb2) Ib= (VTH - Vbe) / RTH Ic= Ib. Hfe Vce= Vcc - (Ic. Rc) PT= Vce. Ic Calculo de recta de carga Vce Max = Vcc Ic Max = Vcc / Rc 15 D_ Calculo de circuito RTH= Rb1. Rb2 / (Rb1 + Rb2) VTH= Vcc. Rb2 / (Rb1 + Rb2) Ib= (VTH - Vbe) / (RTH + Re. (Hfe + 1)) Ic= Ib. Hfe PT= Vce. Ic Calculo de recta de carga Vce Max = Vcc Ic Max = Vcc / (Rc + Re)

16 E_ 16 Calculo de circuito Ib= (Vcc - Vbe) / Rb + Rc. (Hfe + 1)) Ic= Ib. Hfe Calculo de recta de carga Vce Max = Vcc Ic Max = Vcc / Rc Vce= Vcc - (Rc. Ic (1 + 1 / Hfe)) PT= Vce. Ic

17 6- Prácticos- Bien, para poder comprender mejor las secciones anteriores, necesitaremos mínimo implementar algún laboratorio virtual, así hacemos de este tema, una sección practica y fácil de comprender. En nuestro caso, implementaremos el laboratorio virtual Live Wire, que pueden descargar la versión DEMO desde la pagina oficial del software. La siguientes lecciones, nos introducirá dentro del funcionamiento del transistor, ya calcular nosotros mismo, nuestros propios circuitos de polarización de transistores. 17

18 PRACTICO Nº1 (CORTE-SATURACION) En este practico, trataremos de hacer un ejercicio con el laboratorio virtual, para ver por nuestra cuenta, como se comporta y funciona un transistor en Corte Saturación. Observemos primero este ejemplo: (Iniciamos nuestro laboratorio virtual, y para la gente que tiene LiveWire, abrir el ejercicio1a de la carpeta del curso nuestro.) Girando el potenciómetro observamos que el diodo varía su luminosidad, pasando de totalmente encendido a apagado. Es decir que vamos recorriendo la recta de carga estática, con diferentes valores de Q, pasando desde la saturación hasta el corte respectivamente. 18 Es decir, cuando la resistencia del potenciómetro sube la corriente de base baja y por ende la del colector también hasta que no circula más corriente, que es cuando el led se apaga. Análogamente cuando la resistencia baja, la corriente de la base sube, la del colector también y el led se enciende al máximo. Si trabajamos sólo con los valores extremos, es decir, cuando el led esta apagado y cuando el led esta al máximo de luminosidad, podemos decir que el transistor es usado en modo conmutador y es equivalente a una llave. Estos dos extremos son el corte (led apagado) y la saturación (led encendido al máximo) del transistor. Es muy común utilizar esta forma de trabajo del transistor para el prendido y apagado de elementos (leds, relay, etc.) Entonces, un transistor saturado equivale a una llave cerrada. Circula corriente y si medimos con un multímetro la tensión entre colector y el emisor, vemos que es muy pequeña y positiva (aproximadamente cero). Un transistor en corte, equivale a una llave abierta. No circula corriente y si medimos la tensión entre el colector y el emisor, vemos que es Vcc (no hay caída de tensión sobre la resistencia RC y por ende toda la tensión de la fuente cae sobre el transistor).

19 Veamos la comprobación de lo dicho anteriormente en este ejercicio: (Iniciamos nuestro laboratorio virtual, y para la gente que tiene LiveWire, abrir el ejercicio1b de la carpeta del curso nuestro.) Habíamos dicho que puede existir una resistencia en el emisor, en realidad para el caso de ser el transistor utilizado como llave, osea, en los casos en que quiere aprovecharse las propiedades del transistor en funcionamiento de corte-saturación, es más normal no encontrarla en los diseños de los circuitos; Debido a que se desea obtener en el colector los dos extremos de tensión, es decir que pase de cero a Vcc, y colocar una resistencia en el emisor implica tener una tensión extra. Si el objetivo de utilizar una llave en el encendido / apagado de cargas, veamos ahora cómo hacer para controlar ésta llave. Supongamos una onda cuadrara en la base del transistor Aquí se observan ambos extremos de funcionamiento: Cerrado Hay flujo de corriente Abierto No hay flujo de corriente 1) Cuando la onda cuadrada se encuentra en su nivel alto (punto1), la tensión en la base es mayor a la del emisor, y por ende el diodo correspondiente se encuentra en directa. El transistor esta saturado, circula corriente por el colector y la tensión en el colector es directamente la caída de tensión VCE, que para éste caso se aproxima a cero.

20 2) Cuando la onda cuadrada se encuentra en su nivel bajo (punto2), la tensión en la base es cero, y por ende el diodo correspondiente esta en inversa. El transistor se encuentra en corte, no circula corriente por el colector y entonces la tensión en el colector (al no circular corriente) es Vcc (no hay caída de tensión sobre Rc). De acá en adelante se tratará al valor alto de tensión de la onda cuadrada como 1 y al bajo como 0 (sus correspondientes valores lógicos). Más allá de los desarrollos matemáticos y definiciones que hemos visto hasta aquí, lo que les debe quedar en claro, es que el transistor se puede utilizar cómo una llave, logrando el efecto de permitir o no el paso de corriente por su colector. Bien, hasta acá todo bien, yo les realice el circuito para que experimenten con su laboratorio virtual, pero noten que En el ejemplo anteriormente citado, noten que no tienen valores los componentes. Seleccioné el modo componente Ideal para dejarles el ejemplo visual y funcione el circuito si o si, osea que podría colgarle un ladrillo que el circuito funcionaria igual... Para hacerlo mas interesante y de paso que no se aburran, ustedes ahora tendrán que realizar los cálculos necesarios para la polarización del transistor de este circuito PRACTICO Nº2 (MODO ACTIVO DIRECTO) En este caso, implementaremos otra característica del transistor..."la Amplificación". Si bien no aplicaremos cálculos en el siguiente practico, trataremos de ver y comprender como funciona el transistor en este modo de funcionamiento. Si introducimos una señal del tipo senoidal a la entrada, lo que obtendremos a la salida es una réplica de la misma, pero amplificada una cierta cantidad Un circuito común para este tipo de funcionamiento, es el siguiente: Tanto Rb1, Rb2 como Rc se utilizan para polarizar correctamente al transistor. Rs es la resistencia interna del generador. En el siguiente ejemplo practico, implementamos un generador de señal senoidal, es decir una onda con la siguiente forma, y con las siguientes características: (Iniciamos nuestro laboratorio virtual, y para la gente que tiene LiveWire, abrir el ejercicio1ab de la carpeta del curso nuestro.)

21 21 Los capacitores son colocados en serie a la señal para filtrar la tensión de continua y son normalmente llamados de desacople. En el caso de la salida de un amplificador de audio es muy necesario ya que ahí se colocará un parlante (no puede existir una tensión continua ya que los dañaría). Para el análisis del transistor en su modo de funcionamiento MAD, se estudia por un lado la parte de polarización, es decir sólo la alimentación de continua, se arma la recta de carga estática y se calcula el punto de trabajo Q. Una vez hecho esto se analiza cómo se comporta el circuito con solamente la señal de entrada, y nada de tensión continua. Obteniéndose la recta de carga dinámica, haciendo el nombre referencia a que se esta estudiando la señal y la misma varía en el tiempo, es decir es dinámica. En el siguiente grafico, vemos que la señal mencionada anteriormente, va a excursionar de la siguiente manera: Del gráfico se observa que para que la señal se amplifique lo más que se pueda, conviene que el punto Q se encuentre justo a la mitad de la recta. Ya que como se ve en el gráfico

22 cuando la señal alcanza los puntos extremos de la recta, la señal se recorta (ya sea por la saturación, o por el corte del transistor). Por eso es que al momento del diseño, los valores de los componentes se calculan no sólo para polarizar correctamente al transistor sino también para que la amplificación sea la máxima posible. A esto se le llama máxima excursión simétrica, que dada su complejidad, no tocaremos este tema ya que trataremos de orientarnos mas a la temática del curso, que es el sector de mantenimiento industrial. Practico Nº3 (Calculo y diseño de circuito para polarizar un Transistor) Realizar los cálculos de polarización para los siguientes casos, suponiendo que para todos los casos implementaremos un transistor 2N3904 (VBE = 0,7v) y luego vamos a simularlos en nuestro laboratorio virtual. 22 Polarización simple con una fuente de 5Vcc y luego realizar el mismo ejercicio con una fuente de 12Vcc (realizar el ejercicio tanto para un transistor NPN, como para un PNP) Polarización simple con dos fuentes Vbb=9V y Vcc= 12V (realizar el ejercicio tanto para un transistor NPN, como para un PNP) Polarización simple con divisor de tensión y fuente de 12V (realizar el ejercicio tanto para un transistor NPN, como para un PNP) Polarización simple con realimentación en Emisor con una fuente de 9Vcc y luego realizar el mismo ejercicio con una fuente de 12Vcc (realizar el ejercicio tanto para un transistor NPN, como para un PNP) Polarización simple con realimentación en Base con una fuente de 9Vcc y luego realizar el mismo ejercicio con una fuente de 12Vcc (realizar el ejercicio tanto para un transistor NPN, como para un PNP)