MODULO Nº11 TRANSISTORES BJT UNIDAD: CONVERTIDORES CC - CC TEMAS: Transistores de Unión Bipolar. Parámetros del Transistor BJT. Conmutación de Transistores BJT. OBJETIVOS: Comprender el funcionamiento del transistor BJT. Explicar los parámetros del transistor BJT. Realizar el cálculo de circuitos de conmutación para el transistor BJT. 1. Transistores de Unión Bipolar: DESARROLLO DE TEMAS También llamado transistor BJT por sus siglas en ingles (Bipolar Juntion Transistor), es un dispositivo que se forma uniendo 3 capas de semiconductor tipo P y N, por lo que se pueden tener 2 tipos: transistor NPN y transistor PNP, los cuales se muestran a continuación junto con sus respectivos símbolos eléctricos y comparaciones con el diodo semiconductor: Las siglas de cada terminal corresponden a: E Emisor, B Base y C Colector. La representación con diodos es útil para definir en gran parte la operación del transistor BJT, sin embargo esta conexión realizada con diodos normales no produce el mismo efecto, la razón de esto es que la cantidad de electrones y huecos en cada capa no es la misma, como la que se muestra a continuación: E N P N C Electrones (Carga -) Huecos (Carga +) Observe que el emisor se encuentra más dopado que el colector, y ambos son más dopados que la base. Por esta razón, un transistor BJT no opera normalmente si se invierten los terminales del emisor y el colector.
La explicación que sigue se basará en el transistor NPN, pero es igualmente válida para el transistor PNP solo que se cambian polaridades de las fuentes y electrones por huecos. Para empezar, el transistor funcionará solo si se cumplen las siguientes condiciones: La unión base emisor debe tener polarización directa, es decir base positivo y emisor negativo, en cambio que la unión base colector debe tener polarización inversa, es decir, base negativo y colector positivo. En la unión base emisor los electrones del emisor penetran en la base, sin embargo dado que hay pocos huecos, la mayoría queda flotando entre el emisor y la base. Mientras mayor sea la corriente de base mayor será la cantidad de electrones flotantes entre ambas regiones. Por otro lado la unión base colector con polarización inversa empuja a los electrones y a los huecos hacia los extremos, por lo que no existe ninguna corriente. Al combinar los dos a la vez, resulta que los electrones flotantes del emisor, ahora son atraídos hacia el colector, y debido a su gran número son capaces de vencer la barrera y pasar, produciendo una corriente muy alta en comparación con la corriente de base. Este proceso se explica gráficamente en las siguientes figuras: En base al último gráfico se observa que, con una pequeña corriente de base se atraen más electrones libres del emisor, con lo que al final se tiene una gran corriente que atraviesa al transistor en sentido emisor colector. A continuación se presenta la curva característica del transistor:
Como se puede observar, para cada valor de corriente de base existirá una corriente de colector. Matemáticamente esta relación entre la corriente de base y la de colector recibe el nombre de Ganancia o Factor de Amplificación: H FE = I C / I B Este factor indica la cantidad de veces que se amplifica la corriente de base, es típico encontrar transistores con valores entre 40 a 20000. 2. Parámetros del Transistor BJT: Al igual que los anteriores dispositivos semiconductores, los transistores también tienen parámetros de funcionamiento que deben respetarse si se quiere que los mismos funcionen correctamente y sin peligro de daño. Los parámetros más importantes son: Máxima Corriente de Colector (ICMAX): Si se supera esta corriente los diodos internos se queman quedando cerrados todo el tiempo sin importar el tipo de polarización que se aplica. Se encuentra valores desde 0.1A a 80A, para valores más elevados de corriente se conectan transistores en paralelo. Factor de Amplificación o Ganancia: Es común que los fabricantes den el valor promedio de este parámetro y en algunas ocasiones los valores máximos y mínimos. Máximo Voltaje Colector Emisor (VCEMAX): Similar al voltaje de ruptura en los diodos, pasado de este límite se quema internamente el transistor. Su valor se encuentra entre 10V hasta 1000V. Máxima Potencia de Disipación (PD): En general depende del tipo de empaque utilizado. Su valor se encuentra entre 0.1W a 250W. Tipo de Empaque: Código que define el empaque utilizado por el transistor. Los empaques más populares se muestran a continuación: 3. Conmutación de Transistores BJT: Las aplicaciones de los transistores son muy variadas, sin embargo, nos limitaremos solo a aquellas en las cuales el transistor opera como un interruptor de estado sólido, las cuales en forma genérica reciben el nombre de circuitos conmutados. En cierta forma todas las aplicaciones antes estudiadas basadas en Diodos, SCR y TRIAC, pueden también ser realizadas por transistores, pero debido a su funcionamiento y características internas, son más utilizados en aplicaciones de muy alta velocidad de conmutación (en el orden de los MHz) y corrientes de operación de hasta 100A. En aplicaciones de conmutación, el objetivo es hacer funcionar al transistor en modo de corte y saturación. El modo saturación es aquel en la cual el transistor se comporta como un interruptor cerrado (IC = máx y VCE 0), por otra parte el modo corte es aquel en el cual el transistor se comporta como un interruptor abierto (IC 0 y VCE = máx). Esto se aprecia mejor en la siguiente figura:
I C Región de Saturación Región de Corte V CE A continuación se muestra el esquema básico de conmutación para transistores BJT NPN y PNP, así como también el listado de ecuaciones para su cálculo: FORMULAS: ICsat = (VCC VCEsat) / RC IBsat = 10 * (IC / HFE) RB = (VCC VBE) / IB PT = VCEsat ICsat En base a lo anterior se pueden obtener los siguientes análisis: En la práctica es común que VCC sea mayor que VBB (ej: VBB = 5V, VCC = 30V). El voltaje VBB siempre se debe aplicar entre Base y Emisor. En forma sencilla, un transistor NPN se activa con un nivel alto en la base, en cambio un transistor PNP se activa con un nivel bajo. El interruptor que activa la base puede ser entre otros: una compuerta digital, un puerto de un microcontrolador o computadora, un transistor, un optotransistor, etc. Siempre que RC sea de tipo inductiva, se debe colocar D1, a fin de evitar que la tensión inversa generada por bobina dañe al transistor. D1 puede ser colocado en antiparalelo a RC o al transistor. El conjunto de fórmulas es aplicable para transistores NPN como PNP. El sufijo sat, expresa saturación. A fin de que el transistor se cierre completamente, IB debe ser 10 veces mayor que el valor normal necesario, transformándose en IBsat. A pesar de que el transistor este en saturación siempre queda un pequeño voltaje entre colector y emisor llamado VCEsat, que produce calentamiento.
EJERCICIOS 1. Se tiene un transistor NPN con una ganancia de 250. Si se aplica en la base una corriente de 15uA, Cuánta corriente se obtiene en el colector? 2. Se tiene un transistor PNP con una ganancia de 3200. Si por en el colector se tiene una corriente de 2.2A, Cuál es la magnitud de la corriente de base? 3. Utilizando un transistor NPN, se pretende controlar un portero eléctrico constituido por un electroimán de 30V / 1A. Si el voltaje de alimentación de la base es de 5V y el transistor a utilizarse tiene como datos: VCEsat = 1.5V, VBE = 1V y HFE = 3000. Calcule los elementos del circuito y redondee los parámetros del transistor, además dibuje el esquema correspondiente. 4. Utilizando un transistor PNP, se pretende controlar un motor para ventanas de 12V / 5A. Si el voltaje de alimentación de la base es de 6V y el transistor a utilizarse tiene como datos: VCEsat = 2.2V, VBE = 1.6V y HFE = 5500. Calcule los elementos del circuito y redondee los parámetros del transistor, además dibuje el esquema correspondiente. 5. Utilizando un transistor NPN, se pretende controlar 5 bombillos incandescentes de 110V / 100W c/u. Si el voltaje de alimentación de la base es de 9V y el transistor a utilizarse tiene como datos: VCEsat = 3V, VBE = 1.2V y HFE = 10000. Calcule los elementos del circuito y redondee los parámetros del transistor, además dibuje el esquema correspondiente.