Máster en Mecatrónica U4M Master in Mechatronic and MicroMechatronic Systems IOLARS Fundamentos de Ingeniería léctrica
Contenidos Funcionamiento Tipos de transistores Curvas características Resolución de circuitos con transistores Modelos de transistor Circuitos de polarización De base fija Automática jemplos Amplificador en emisor común Interruptor digital
Funcionamiento. Tipos de transistores Los transistores bipolares (como todos los transistores) son dispositivos de tres terminales, con dos de ellos funcionando como terminales de entrada o de control y otros dos funcionando como terminales de salida. or tanto, uno de los tres terminales es común a entrada y salida. La tensión entre los terminales de entrada determina el comportamiento eléctrico de la salida, que puede ser: Fuente de corriente controlada (zona lineal o activa) Cortocircuito (saturación) Circuito abierto (corte) La potencia consumida en la entrada es menor que la manejada en la salida. Colector () Colector () ase () misor () ase () misor ()
Funcionamiento. Curvas características Las curvas características dependen de la configuración del transistor. Curvas características de un transistor en emisor común. Referencias normalizadas [μa] Curvas de entrada 0 V C 100 V C =0 0,6 V C V C =5V V C =10V V [V] 40 20 Curvas de salida [ma] =400μA 0 =300μA =200μA =100μA 2 4 6 V C [V]
Funcionamiento. Curvas características ara trabajar en zona activa la unión baseemisor se polariza directamente y la unión colectorbase, inversamente. n estas condiciones se define: () C () α Típicamente: α = 0,99 0,999 y, dado que, =, se tiene V () V C α / (1 α) lo que se aprovecha para definir el parámetro β = α / (1 α) β Típicamente: β = 50 200 Los fabricantes usan el término h f en vez de β. 0 2 4 6 V C [V]
Funcionamiento. Curvas características ara trabajar en zona de corte hay que tener ambas uniones inversamente polarizadas. n estas condiciones todas las corrientes que circulan por el transistor son muy pequeñas. () C() () 0 0 0 V V C =0μA 0 2 4 6 V C [V]
Funcionamiento. Curvas características ara trabajar en zona de saturación hay que tener ambas uniones directamente polarizadas. n estas condiciones el transistor se comporta prácticamente como un cortocircuito en su salida () C() () V C 0 lo cual sólo es posible si se verifica V V C < β 0 2 4 6 V C [V]
Funcionamiento. Curvas características Resumen para transistores. Zona Activa Zona de Corte Zona de Saturación V C V R V C V R V C V R V 1 V 1 V 1 V C < 0 α (1α) β (1β) 0, 0 0 V C > 0 (V C 0) V 1 / R
Funcionamiento. Curvas características Resumen para transistores. Zona Activa Zona de Corte Zona de Saturación V CḆ C R V CḆ C R V CḆ C R V V 1 V V 1 V V 1 V C > 0 α ( ) β 0, 0 0 V C < 0 (V C 0) V 1 / R
Resolución de circuitos con transistores. Resolución gráfica R=200Ω V C 40 20 [ma] =400μA =300μA =200μA =100μA V 1 V 2 =6V 0 =0μA 2 4 6 V C [V] Recta de carga = 0 0 V C 6V Corte = 100µA 10mA V C 4V Zona activa = 200µA 20mA V C 2V Zona activa = 300µA 30mA V C 0,4V Saturación = 400µA 30mA V C 0,4V Saturación
Resolución de circuitos con transistores. Mediante planteamiento de hipótesis Usando una malla en la que intervenga la unión baseemisor se calcula. = 0 Corte V CḆ C R > 0 Hipótesis: Zona activa V V 1 = β V C = V 1 R Si V C > 0, entonces Zona activa (Hipótesis correcta) Si V C < 0, entonces Saturación (Hipótesis errónea) También se podría considerar como hipótesis que el transistor está en saturación, en cuyo caso: V C = 0 = V 1 / R Si < β, entonces la hipótesis es correcta Saturación Si > β, entonces la hipótesis es errónea Zona activa
Modelos de transistor. Modelo de gran señal ermiten analizar el punto de funcionamiento en continua. C C C =0 0,7V β 0,7V 0,2V =0 =0 Zona Activa Saturación Corte 0,7V β 0,7V 0,2V =0 =0 =0 C C C
Modelos de transistor. Modelo de pequeña señal ermiten analizar el funcionamiento en alterna (amplificadores). Consideran comportamiento del transistor como cuadripolo. i 1 i 2 u 1 h i h r u 2 h f i 1 1/h o u 2 n los casos más habituales (base común, emisor común) el modelo se reduce a dos parámetros. i i C C i (h f = β) i C C u h i h f i u C u h i h f i u C ase común misor común
Circuitos de polarización. De base fija Los circuitos de polarización sitúan el punto de trabajo en la zona activa para poder amplificar señales. cuaciones del circuito de polarización de base fija. R R C V CC = V CC 0,7 R = β V C V C = V CC R C ste circuito es muy sensible al valor de β, por lo que no suele ser utilizado para conseguir diseños repetitivos. Las diferencias de β entre distintas unidades podría compensarse ajustando el valor de la corriente de base, cosa que no se consigue con este circuito en el que la corriente de base es fija (de ahí su nombre).
Circuitos de polarización. Automática cuaciones del circuito de polarización automática. V CC R = R 1 R 2 R 1 R 2 R 1 R C V C R R C V C V CC R 2 V = V R CC 1 R 2 R 2 R V R = V 0,7 R (β1) R = β = (β1) Si se eligen valores adecuados para R 1 y R 2, se puede conseguir que y V C sean casi independientes de β. Valores adecuados de R 1 y R 2 son aquellos que hacen V prácticamente constante para cualquier valor de (y mucho mayor que V ). V C = V CC R C R Se suele escoger R 2 de modo que la corriente que pasa por ella sea 10 20 veces la máxima esperada.
jemplos. Amplificador en emisor común squema de un amplificador en emisor común. V CC R 1 R C C 2 C 1 v s R L v e C R 2 R La parte en rojo corresponde al circuito de polarización. Los condensadores adicionales no influyen en este circuito, ya que en continua son circuitos abiertos. Dado que en alterna los condensadores son cortocircuitos, C 1 y C 2 acoplan la señal y la carga respectivamente al amplificador (condensadores de acoplo). C se denomina condensador de desacoplo y hace que en alterna el emisor del transistor sea común a entrada y salida.
jemplos. Amplificador en emisor común l circuito equivalente en pequeña señal analiza sólo el comportamiento en alterna, por lo que la fuente continua (V CC ) se considera como un cortocircuito. i e i b C v e r i β i b R 1 R 2 R L R C v s Haciendo cálculos sobre este circuito, se consigue determinar la ganancia, impedancia de entrada e impedancia de salida del amplificador. ste circuito es válido únicamente a frecuencias medias. A bajas frecuencias los condensadores ya no son cortocircuitos, y a altas frecuencias podría ser necesario usar otro modelo de transistor.
jemplos. Amplificador en emisor común Ganancia de tensión v e R C R L i b = i c = β i r b v s = i c i R C R L v s R C R L A v = = v e R C R L β r i Impedancia de entrada v e Z e = = i e 1 1/R 1 1/R 2 1/r i Impedancia de salida Z s = R C
jemplos. Interruptor digital l uso de un bipolar como interruptor digital da lugar a un inversor lógico. V CC R C R V e V s Carga l funcionamiento deseado del circuito consiste en que el transistor esté en saturación cuando haya tensión a la entrada (V e 0 V s 0) y en corte cuando la tensión de entrada sea nula (V e =0 V s V CC ) La resistencia R C se conoce como resistencia de pullup. Debido a su presencia, cuanto más corriente demande la carga, más alejada de V CC estará la tensión de salida.