Transistores Bipolares (ii pàrte)

Curvas de colector Un transistor tiene cuatro regiones de operación

distintas, definidas principalmente por la forma en

que son polarizados: activa, corte, saturación y

disrupción. Cuando se emplean transistores para

amplificar señales débiles, estos trabajan en la región

activa. Algunas veces, la región activa se denomina

región lineal, porque las variaciones en la señal de

entrada producen variaciones proporcionales en la señal

de salida.

Región activa:

En esta región de funcionamiento normal del transistor,

cuando éste no está ni en su región de saturación ni en la

región de corte entonces está en una región intermedia, la

región activa. Esta región es la más importante si lo que se

desea es utilizar el transistor como un amplificador de

señal.

En esta región, el diodo de emisor está polarizado en

directa y el diodo de colector está polarizado en inversa.

Además, el colector captura casi todos los electrones que

el emisor ha inyectado en la base. Por esta razón, los

cambios en la tensión del colector no tienen efecto en la

corriente de colector. Gráficamente, la región activa es la

parte horizontal de la curva. En otras palabras, la

corriente del colector es constante en esta región.

Región de disrupción o región inversa:

Otra región de operación es la región de

disrupción. El transistor nunca debería

funcionar en esta región porque se destruiría.

A diferencia del diodo zener, que está

optimizado para trabajar en la zona de

disrupción el transistor no está preparado

para operar en esta región. Al invertir las

condiciones de polaridad del funcionamiento

en modo activo, el transistor bipolar entra en

funcionamiento en modo inverso.

Región de corte: Observe que cuando la corriente de base es cero,

existe una pequeña corriente de colector. Esta curva

de la parte inferior es la región de corte del transistor

y la pequeña corriente de colector se denomina

corriente de corte de colector.

¿Por qué existe esta corriente de corte de colector?

Porque el diodo de colector presenta una corriente

inversa de portadores minoritarios y una corriente de

fugas superficial. En un circuito bien diseñado la

corriente de corte de colector es lo suficientemente

pequeña como para poder ignorarla. Por ejemplo, un

2N3904 presenta una I de corte de colector de 50

nA. Si la corriente de colector real es 1 mA, se podria

ignorar.

Región de saturación Cuando VCE toma valores entre 0 V y unas décimas de

voltio, esta parte de la curva define la región de

saturación. En esta región, el diodo de colector no tiene la

suficiente tensión positiva como para capturar todos los

electrones libres inyectados en la base. En esta región, la

corriente de base IB mayor que la normal y la ganancia

de corriente βdc es menor quela normal.

Este caso normalmente se presenta cuando la

corriente de base es lo suficientemente grande como

para inducir una corriente de colector β veces más

grande. (recordar que Ic = β * Ib)

Potencia del transistor

Aplicando LVK al circuito de colector de

la Figura a:

El transistor tiene una disipación de potencia de

aproximadamente:

Lo que significa que la potencia del transistor es igual a

la tensión colector-emisor por la corriente de colector.

Esta disipación de potencia hace que la temperatura de

la unión del diodo de colector aumente. Cuanto mayor

es la potencia, más alta es la temperatura de la unión.

Los transistores se quemarán cuando la temperatura de

la unión se encuentre entre 150 y 200°C. Uno de los

parametros más importantes especificados en una hoja

de características es la potencia máxima PD(máx) La

disipación de potencia dada por la Ecuación anterior

tiene que ser menor que PD(máx) En caso contrario, el

transistor se destruirá.

Ejemplo EI transistor de la siguiente Figura tiene

βdc = 300. Calcular lB, le, Vce y Pd-

Aproximación ideal del transistor En la figura c se muestra la aproximación ideal de un

transistor. Podemos ver el diodo de emisor como un

diodo ideal. En este caso, VBE = 0.

El lado del colector del transistor se comporta como

una fuente de corriente que bombea una corriente

de colector de valor βdclB a través de la resistencia de

colector.

La segunda aproximación

La Figura c muestra la segunda aproximación de un

transistor. Esta aproximación es la que se usa más

frecuentemente porque puede mejorar

significativamente el análisis cuando la tensión de

alimentación de la base es pequeña.

En los transistores de silicio, esto significa que VBE =

0,7 V (para transistores de germanio, VBE = 0,3 V). Con la

segunda aproximación, las corrientes de base y de colector

serán ligeramente menores que sus valores ideales.

Aproximaciones de orden superior

La resistencia interna del diodo de emisor

comienza a ser importante sólo en las

aplicaciones de alta potencia en las que las

corrientes son grandes.

El efecto de la resistencia interna en el

diodo de emisor es incrementar el valor

de VBE por encima de 0,7 V. Por ejemplo, en

algunos circuitos de alta potencia, la tensión

VBE que cae en el diodo Base-emisor puede

ser mayor de 1 V.

Ejemplo

¿Cuál es la tensión colector-emisor en la

siguiente Figura? Utilice el transistor ideal

Ejemplo

¿Cuál es la tensión colector-emisor en el

circuito de la Figura anterior si se aplica la

segunda aproximación?

Resumen

El punto de operación Todo circuito de transistores tiene una recta

de carga. Dado cualquier circuito es posible

conocer su corriente de saturación y su

tensión de corte.

En primer lugar, imaginemos un cortocircuito entre los

terminales de colector y de emisor, con lo que toda la tensión

de alimentación del colector aparece en la resistencia de

colector, lo que significa que la corriente de saturación es igual

a 5 mA.

Segundo, imaginamos en circuito abierto los terminales de

colector-emisor. En este caso, no hay corriente y toda la

tensión de alimentación aparece en los terminales de colector-

emisor, lo que significa que la tensión de corte es 15 V

Vamos a suponer que tenemos un transistor

ideal. Por tanto, toda la tensión de alimentación

de la base aparecerá en la resistencia de base,

con lo que la corriente de base es:

Si la ganancia de corriente del transistor es 100.

Luego la corriente de colector es:

¿Por qué varía el punto Q?

¿Qué ocurre si la ganancia de corriente es igual a 50?

¿Y si es igual a 150? Para empezar, la corriente de base

permanece constante, ya que la ganancia de corriente

no tiene ningún efecto sobre la corriente de base.

Idealmente, la corriente de base es constante e igual a

30 u.A. En el caso de que la ganancia de corriente sea

igual a 50:

Si dibujamos estos valores en la gráfica obtenemos el punto

inferior QL. .

Si la ganancia de corriente es de 150,

tenemos:

Llevando estos valores sobre la gráfica

obtenemos el punto superior QH mostrado

en la Figura

Los tres puntos Q de la Figura ilustran la

sensibilidad del punto de trabajo de un

transistor con polarización de base respecto de

las variaciones de βdc. Cuando la ganancia de

corriente varía de 50 a 150, la corriente de

colector varía desde 1,5 a 4,5 mA. Si las

variaciones de la ganancia de corriente fueran

mucho mayores, el punto de trabajo podría

fácilmente llegar a la saturación o a la región

de corte. En este caso, un circuito amplificador

dejaría de ser útil, ya que dejaría de funcionar

en la región activa.

Polarización de emisor Cuando se entra en el mundo de amplificadores lo que

se necesita son circuitos cuyos puntos Q sean inmunes

a las variaciones de la ganancia de corriente.

En la siguiente figura se muestra un circuito de

polarización de emisor. En este la resistencia se ha

pasado del circuito de base al circuito del emisor. Este

único cambio provoca una enorme diferencia. El punto

Q de este nuevo circuito es extremadamente estable.

Cuando la ganancia de corriente varia entre 50 y 150,

el punto Q no muestra prácticamente ningun

movimiento a lo largo de la línea de carga.

La tensión de alimentación de la base ahora se

aplica directamente a la base. Por tanto, un

técnico de reparaciones obtendrá una tensión

VBB entre la base y tierra. El emisor ya no está

conectado a tierra, ahora está por encima de tierra

y tiene una tensión que viene dada por:

Si VBB es 20 veces mayor que VBE, la aproximación ideal dará

resultados precisos. Si VBB es 20 veces menor que VBE , es

posible que se deba utilizar la segunda aproximación, ya que,

de lo contrario, el error será mayor del 5 por ciento.

Cómo hallar el punto Q

Analicemos el circuito con polarización de

emisor. La tensión de alimentación de la base

es sólo de 5 V, por lo que utilizamos la segunda

aproximación. La tensión entre la base y tierra

es 5 V. A partir de ahora, nos referiremos a

esta tensión de base respecto de tierra como

la tensión de base, o VB. La tensión que cae entre

los terminales de base y emisor es 0,7 V. Del

mismo modo, a esta tensión la denominaremos

tensión base-emisor.

La tensión entre el emisor y tierra se denomina

tensión de emisor y es igual a:

Esta tensión cae en la resistencia de emisor, por lo

que podemos emplear la ley de Ohm para calcular

la corriente de emisor:

Esto significa que la corriente de colector es

aproximadamente igual a 1,95 mA. Cuando esta

corriente de colector fluye a través de la

resistencia de colector, produce una caída de

tensión de 1,95 V. Restando este valor de la tensión

de alimentación del colector obtenemos la tensión

entre el colector y tierra:

A partir de ahora, denominaremos tensión de

colector a esta tensión entre colector y tierra.

Si desea conocer la tensión colector-emisor,

tendrá que restar la tensión de emisor de la

tensión de colector de la siguiente manera:

Por tanto, el circuito con polarización de

emisor de la Figura tiene un punto Q con

las coordenadas siguientes: lc = 1,95 mA y

VCE = 8,8 V.

La tensión colector-emisor es la tensión

utilizada para dibujar las rectas de carga y

para leer las hojas de características.

Como fórmula:

El circuito es inmune a las variaciones de la

ganancia de corriente

He aquí por qué la polarización de emisor es

tan sobresaliente: el punto Q de un circuito con

polarización de emisor es inmune a las

variaciones de la ganancia de corriente. La

demostración se basa en el proceso utilizado para

analizar el circuito. Los pasos que hemos usados

anteriormente son:

1. Obtener la tensión de emisor.

2. Calcular la corriente de emisor.

3. Hallar la tensión de colector.

4. Restar la tensión de emisor de la tensión de

colector para obtener VCE.

En el proceso anterior no necesitamos en

ningún momento utilizar la ganancia de

corriente. Dado que no la necesitamos para

hallar la corriente de emisor, ni la corriente

de colector, etc., el valor exacto de la

ganancia de corriente ya no resulta

importante. Este tipo de circuito se dice que

es independiente de beta.

Ejemplo

¿Cuál es la tensión entre el colector y

tierra en el siguiente circuito? ¿Y entre el

colector y el emisor?