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DEPARTAMENTO DE ELECTRICIDAD Y ELECTRÓNICA
Tema 04. Transistores Elementos de Sistemas de Telecomunicaciones 1º STI 2018-2019
Tema 04. Transistores
Tema 04. Transistores
CONTENIDOS 1
EL TRANSISTOR BIPOLAR (BJT). ....................................................................................................................2 1.1 1.2
2
CORRIENTES EN UN TRANSISTOR. ................................................................................................................5 2.1 2.2 2.3
3
RELACIÓN DE CORRIENTES. ...............................................................................................................................5 BETA DE CONTINUA O GANANCIA DE CORRIENTE. ...............................................................................................5 ACTIVIDADES. ...................................................................................................................................................6
LA CONEXIÓN EN EC..........................................................................................................................................7 3.1 3.2 3.3
4
EL TRANSISTOR SIN POLARIZACIÓN. ...................................................................................................................3 EL TRANSISTOR POLARIZADO. ............................................................................................................................4
CORRIENTE POR LA BASE. ..................................................................................................................................8 TENSIÓN Y POTENCIA DE COLECTOR...................................................................................................................8 ACTIVIDADES. ...................................................................................................................................................9
POLARIZACIÓN DE TRANSISTORES. ...........................................................................................................11 4.1 POLARIZACIÓN DE BASE. .................................................................................................................................11 4.1.1 El punto de saturación................................................................................................................................11 4.1.2 El punto de corte. .......................................................................................................................................11 4.1.3 El transistor en conmutación. .....................................................................................................................12 4.1.4 Actividades. ................................................................................................................................................13 4.2 POLARIZACIÓN DE EMISOR. ..............................................................................................................................14 4.2.1 Actividades. ................................................................................................................................................15 4.3 POLARIZACIÓN POR DIVISIÓN DE TENSIÓN. .......................................................................................................17 4.3.1 Actividades. ................................................................................................................................................18
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Tema 04. Transistores
1 El transistor bipolar (BJT). Un transistor es un dispositivo electrónico compuesto por tres capas de semiconductores de silicio o germanio una central de tipo n o p rodeadas de dos del tipo p o n.
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Tema 04. Transistores
1.1 El transistor sin polarización.
Para evitar confusiones entre los transistores npn y pnp, nuestra exposición se centrará en el transistor npn. El transistor de la figura de abajo es un dispositivo npn porque hay una zona p entre dos zonas n. Recordemos que los portadores mayoritarios son electrones libres en los materiales tipo n y huecos en los materiales tipo p.
•
Niveles de dopaje: El emisor está fuertemente dopado. Por otro lado, la base está ligeramente dopada. El nivel de dopaje del colector es intermedio, entre los dos anteriores. Físicamente el colector es la zona más grande de las tres.
•
El transistor de la figura tiene dos uniones: una entre el emisor y la base y otra entre la base y el colector. El diodo inferior se denomina el diodo emisor-base, o diodo emisor. El diodo superior se denomina diodo colector- base, o diodo colector.
•
Cada diodo tiene una barrera de potencial de 0,7 V (si es de silicio), aproximadamente.
Un transistor sin polarizar es similar a dos diodos contrapuestos.
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1.2 El transistor polarizado.
Se entiende por POLARIZAR UN TRANSISTOR el suministrarle las fuentes de tensión continuas externas adecuadas para que circulen las intensidades que queramos en cada caso. Por ejemplo: para poner en funcionamiento una radio de casa le tenemos que poner pilas. Con ello estaremos POLARIZANDO los transistores incluidos en la radio. La figura siguiente es la forma más habitual de polarizar un transistor:
•
La fuente de la izquierda VBB polariza directamente el diodo emisor.
•
La fuente de la derecha VCC polariza inversamente el diodo de colector.
Aunque son posibles otros métodos de polarización, polarizar en directa el diodo emisor y en inversa el diodo colector produce los resultados más útiles. Lo que sucede, se tiene en la siguiente figura:
•
VBB polariza directamente el diodo emisor, obligando a los electrones libres del emisor a entrar en la base.
•
La estrecha y apenas dopada base hace que casi todos ellos tengan el tiempo suficiente para difundirse en el colector.
•
Estos electrones circulan a través del colector, a través de RC y hacia el terminal positivo de la fuente de tensión VCC·
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2 Corrientes en un transistor. La figura siguiente muestra el símbolo de un transistor npn:
Hay tres corrientes distintas en el transistor:
La corriente de emisor IE. La corriente de base IB. La corriente de colector IC.
2.1 Relación de corrientes. Recuérdese la LEY DE LAS CORRIENTES DE KIRCHHOFF:
Establece que la suma de todas las corrientes que entran a un nudo o unión es igual a la suma de todas las corrientes que salen de ese nudo o unión. Al aplicarse a un transistor, la ley de Kirchhoff proporciona esta importante relación entre las tres corrientes del transistor: 𝐼𝐸 = 𝐼𝐶 + 𝐼𝐵
Esta ecuación indica que la corriente de emisor es la suma de la corriente de colector y la corriente de base.
Teniendo en cuenta que la corriente de base es mucho menor que la corriente de colector, es habitual hacer las siguientes aproximaciones:
•
•
La corriente de colector es igual a la corriente de emisor: 𝐼𝐶 ≈ 𝐼𝐸
La corriente de base es mucho más pequeña que la corriente de colector: 𝐼𝐵 ≪ 𝐼𝐶
2.2 Beta de continua o ganancia de corriente.
La beta de continua (simbolizada βdc) de un transistor se define como la relación entre la corriente continua del colector y la corriente continua de la base: 𝛽𝑑𝑐 =
𝐼𝐶 𝐼𝐵
La beta de continua se conoce también como la GANANCIA DE CORRIENTE porque …. UNA PEQUEÑA CORRIENTE DE BASE PRODUCE UNA CORRIENTE MUCHO MAYOR DE COLECTOR.
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2.3 Actividades. 1. 2. 3.
Un transistor tiene una corriente de colector de 10 mA y una corriente de base de 40 µA. ¿Cuál es la ganancia de corriente del transistor? Un transistor tiene una ganancia de corriente de 175. Si la corriente de base es de 0.1 mA, ¿cuál es el valor de la corriente de colector? Un transistor tiene una corriente de colector de 2 mA. Si la ganancia de corriente es de 135, ¿cuál es el valor de la corriente de base?
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3 La conexión en EC. La forma más útil de conectar un transistor es en EC (Emisor Común).
•
El lado común o masa de cada fuente de tensión está conectado al emisor.
•
El circuito tiene dos mallas: La malla de la izquierda es el CIRCUITO DE BASE. La malla de la derecha es el CIRCUITO DE COLECTOR.
•
En la malla de base, la fuente VBB polariza en directa al diodo emisor con RB como resistencia limitadora de corriente. Usando diferentes valores de VBB o RB se puede controlar la corriente de base IB.
•
En la malla del colector hay una fuente de tensión de valor VCC que polariza, en inversa al diodo colector a través de RC.
•
En los circuitos de transistores se usa notación de doble subíndice: Cuando los subíndices son iguales, la tensión representa una fuente: VBB y VCC. Cuando los subíndices son diferentes representan las tensiones entre dos puntos: VBE y VCE.
•
Los subíndices simples se usan para las tensiones de los nodos, es decir, tensiones entre el punto del subíndice y masa: La tensión VB es la tensión entre la base y masa. La tensión VC es la tensión entre el colector y masa: La tensión VE es la tensión entre el emisor y masa:
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•
Por lo tanto: 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶 − 𝑉𝐸 𝑉𝐶𝐵 = 𝑉𝐶 − 𝑉𝐵 𝑉𝐵𝐸 = 𝑉𝐵 − 𝑉𝐸
En el caso del circuito que estamos estudiando, VE es cero (está unido a la masa): 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶 𝑉𝐶𝐵 = 𝑉𝐶 − 𝑉𝐵 𝑉𝐵𝐸 = 𝑉𝐵
3.1 Corriente por la base.
La curva característica de entrada de un transistor será igual que la de un diodo. En la malla de entrada (malla dela base) solo el diodo emisor entraría en juego.
Aplicamos la ley de ohm a la resistencia de la base: 𝑉𝐵𝐵 − 𝑉𝐵𝐸 𝐼𝐵 = 𝑅𝐵
3.2 Tensión y potencia de colector.
Si se aplica al circuito del colector, la ley de las tensiones de Kirchhoff nos da esta importante ecuación: 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶 ∙ 𝑅𝐶
El transistor presenta una disipación de potencia aproximada de: 𝑃𝐷 = 𝑉𝐶𝐸 ∙ 𝐼𝐶
Una de las informaciones más importantes que aparece en las hojas de características es la potencia máxima PD(máx).
El consumo de potencia debe ser menor que PD(máx) para evitar que se destruya el transistor. Página 8 de 18
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3.3 Actividades. 4.
Calcule la corriente de base del siguiente transistor polarizado. ¿Cuál es la tensión a través de la resistencia de base? ¿Y la corriente de colector, si βdc = 200?
5.
El transistor de la siguiente figura tiene βdc = 300. Calcule IB, IC, VCE y PD.
6.
La siguiente figura muestra un circuito de transistor diseñado en un ordenador con el programa EWB. Calcula la ganancia de corriente del 2N4424.
7.
Un transistor tiene una corriente de emisor de 10 mA y una corriente de colector de 9,95 mA. ¿Cuál es la corriente de base? La corriente de colector vale 5 mA y la corriente de base vale 0,02 mA. ¿Cuál es el valor de la ganancia de corriente? Un transistor tiene una ganancia de corriente de 125 y una corriente de base igual a 30 mA. ¿Qué valor tiene la corriente de colector? Si la corriente de colector es de 50 mA y la ganancia de corriente es de 65, ¿cuánto vale la corriente de base? ¿Cuál es el valor de la corriente de base en el siguiente circuito?
8. 9. 10. 11.
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12. 13.
14. 15. 16.
Si la ganancia de corriente disminuye de 200 a 100 en el circuito anterior, ¿cuánto vale la corriente de base? Un circuito de un transistor, similar al del problema 5, tiene una fuente de polarización de colector de valor 20 V, una resistencia de colector igual a 1,5 kΩ y una corriente de colector de 5 mA. ¿Cuál es el valor de la tensión colector-emisor? Si en un transistor la corriente de colector es de 100 mA y la tensión colector-emisor es de 3,5 V, ¿qué potencia disipa? Diseñe un circuito en EC que cumpla los requisitos siguientes: VBB = 5 V, VCC = 15 V, hFE = 120, IC= 10 mA y VCE = 7,5 V. Suponga ·que se conecta un LED en serie con los 820 Ω en el circuito del problema 5. ¿Qué valor tiene la corriente en el LED?
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4 Polarización de transistores. La polarización de transistores consiste en configurar los transistores para que trabajen en la ZONA ACTIVA. Es decir buscamos que trabajen en la zona en la que se comportan como AMPLIFICADORES. Estudiaremos tres tipos de polarización:
•
De base.
•
De emisor.
•
Por divisor de tensión. Esta última es la mejor y más empleada.
4.1 Polarización de base. El circuito siguiente es un ejemplo de polarización de base, lo que significa establecer un valor CONSTANTE PARA LA CORRIENTE DE BASE.
La tensión colector-emisor viene dada por: Resolviendo para IC nos da:
4.1.1
El punto de saturación.
𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶 ∙ 𝑅𝐶 𝐼𝐶 =
𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐶𝐸 𝑅𝐶
El punto de saturación es el punto en que la recta de carga corta a la zona de saturación de las curvas de salida. Como la tensión colector-emisor en saturación es muy pequeña, el punto de saturación es casi idéntico al extremo superior de la recta de carga. 𝑉𝐶𝐶 𝐼𝐶(𝑠𝑎𝑡) = 𝑅𝐶 El punto de saturación indica la máxima corriente de colector que es posible alcanzar en el circuito. En nuestro ejemplo, la máxima corriente de colector posible es aproximadamente de 5 mA. A esta corriente, VCE ha decrecido aproximadamente a cero. 𝑉𝐶𝐶 15 𝑉 = = 5 𝑚𝐴 𝐼𝐶(𝑠𝑎𝑡) = 3 𝐾Ω 𝑅𝐶
En el punto de saturación VCE es igual a cero, es como si se produjera un corto entre colector y emisor en el transistor. 4.1.2
El punto de corte. El punto de corte es el punto en el que la recta de carga corta a la zona de corte de las curvas de salida.
Como la corriente de colector en corte es muy pequeña, el punto de corte es casi idéntico al extremo inferior de la recta de carga. Página 11 de 18
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𝑉𝐶𝐸(𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒) = 𝑉𝐶𝐶
El punto de corte indica la máxima tensión colector-emisor que es posible alcanzar en el circuito. En nuestro ejemplo, la máxima tensión posible colector-emisor es aproximadamente 15 V, que es el valor de la fuente de tensión del colector. 𝑉𝐶𝐸(𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒) = 𝑉𝐶𝐶 = 15 𝑉
En el punto de saturación VCE es igual a VCC, es como si entre colector y emisor en el transistor hubiese un circuito abierto. 4.1.3
El transistor en conmutación.
La polarización de base es útil en los circuitos de conmutación, ya que, por lo general, estos circuitos se diseñan para funcionar en saturación y en corte. A continuación se dará un ejemplo de cómo se usa un circuito con polarización de base para conmutar (cambiar) entre saturación y corte.
•
Cuando el conmutador se cierra, el transistor está en el punto de saturación. Consecuentemente, la tensión de salida (Vout) es aproximadamente de 0 V.
•
Cuando el conmutador se abre, el transistor está en el punto de corte. La corriente de base se hace cero, por lo que la corriente de colector también se hace cero. Por tanto, la tensión de salida (Vout) crece hasta 10 V.
El circuito sólo puede tener dos tensiones de salida: 0 V ó + 10 V. Así es como se puede reconocer un circuito digital: sólo tiene dos niveles de salida, bajo o alto.
A los circuitos digitales a menudo se les llama circuitos de conmutación.
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4.1.4
Actividades.
17.
Calcule los valores de saturación y corte para los siguientes circuitos.
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4.2 Polarización de emisor. Para circuitos de amplificación nos conviene que sea estable por lo que la polarización de base no nos es útil, recurriremos a la polarización de emisor.
Como se puede ver, la resistencia se ha cambiado del circuito de base al circuito emisor. Ese único cambio provoca una enorme diferencia.
•
La fuente de polarización de la base se aplica ahora directamente a la base.
•
El emisor ya no está puesto a tierra. Ahora la tensión de emisor es mayor que la de masa y está dada por: 𝑉𝐸 = 𝑉𝐵𝐵 − 𝑉𝐵𝐸
•
La tensión entre la base y masa es de 5 V. De ahora en adelante nos referiremos a esta tensión base-masa simplemente como la tensión de base; o sea, VB.
•
La tensión entre el emisor y masa será llamada: tensión de emisor, VE. Es igual a:
•
𝑉𝐸 = 𝑉𝐵𝐵 − 𝑉𝐵𝐸 = 5 V − 0.7 𝑉 = 4.3 𝑉
Dicha tensión está presente entre los extremos de la resistencia de emisor, por lo que se puede usar la ley de Ohm para calcular la corriente de emisor: 𝐼𝐸 =
𝑉𝐸 4.3 𝑉 = = 1.95 𝑚𝐴 𝑅𝐸 2.2 𝐾Ω
Esto supone que, en muy buena aproximación, la corriente de colector (IC) es de 1,95 mA
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•
•
Cuando esta corriente de colector circula por la resistencia de colector, produce una caída de tensión. Restando este valor de la tensión de la fuente de colector se obtiene la tensión entre el colector y masa que será llamada: tensión de colector, VC. Es igual a: 𝑉𝐶 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶 ∙ 𝑅𝐶 = 15 𝑉 − (1.95 𝑚𝐴) ∙ (1𝐾Ω) = 13.1 𝑉
Para hallar la tensión colector-emisor, VCE, restamos la tensión de emisor a la de colector: 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶 − 𝑉𝐸 = 13.1 − 4.3 = 8.8 𝑉
Si vemos los diferentes cálculos comprobamos que los resultados son independientes a la ganancia del transistor βdc, así que la ganancia es mucho más estable en la polarización de emisor que en la polarización de base.
4.2.1
Actividades.
18.
¿Cuál es la tensión entre el colector y tierra en el circuito siguiente? ¿Y entre el colector y el emisor?
19.
Dibuje la recta de carga para el siguiente circuito. ¿Cuál es la corriente de colector en el punto de saturación? ¿Y la tensión colector-emisor en el punto de corte?
20.
Dibuje la recta de carga para el siguiente circuito. ¿Cuál es la corriente de colector en el punto de saturación? ¿Y la tensión colector-emisor en el punto de corte?
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21. 22. 23.
24. 25. 26.
27.
En el circuito del problema 1, ¿cuál es la tensión entre el colector y masa si la ganancia de corriente vale 100? La ganancia de corriente fluctúa entre 25 y 300 en el circuito del problema 1. ¿Cuál es el .valor mínimo de la tensión de colector a masa? ¿Y el máximo? ¿Cuál es la tensión de colector en el siguiente circuito? ¿Y la tensión de emisor?
Si la resistencia de emisor se duplica en el problema 5, ¿cuál es la tensión colectoremisor? Si la tensión de la fuente de colector disminuyese a 15 V en el problema 5, ¿cuál es la tensión de colector? ¿Cuál es la tensión de colector en el siguiente circuito si VBB = 2 V?
En el siguiente circuito, el primer transistor tiene una ganancia de comente de 100, mientras que la ganancia de corriente del segundo transistor es de 50. ¿Cuál es la corriente de base en el primer transistor?
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4.3 Polarización por división de tensión.
Es el circuito de polarización más extensamente utilizado. Obsérvese que el circuito de la base tiene un divisor de voltaje (R1 y R2) y, por eso, el circuito se llama polarización por división de tensión.
En un circuito de división de tensión bien diseñado la corriente por la base debe ser cercana a cero por lo que tendremos el circuito equivalente siguiente:
En este circuito, la tensión de salida del divisor es la siguiente: 𝑅2 𝑉𝐵𝐵 = � � ∙ 𝑉𝐶𝐶 𝑅1 + 𝑅2 Como puede apreciarse, la polarización por división de tensión es realmente una polarización de emisor enmascarada; es decir, los siguientes circuitos son equivalentes:
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•
•
•
•
•
•
4.3.1
Calcular la tensión en la base VBB a través del divisor de tensión: 𝑉𝐵𝐵 = �
𝑅2 � ∙ 𝑉𝐶𝐶 𝑅1 + 𝑅2
Restar 0,7 V para conseguir la tensión de emisor (0,3 para el germanio): 𝑉𝐸 = 𝑉𝐵𝐵 − 𝑉𝐵𝐸
Dividir por la resistencia de emisor para obtener la corriente de emisor: 𝐼𝐸 =
𝑉𝐸 𝑅𝐸
Suponer que la corriente de colector es aproximadamente igual a la corriente de emisor: 𝐼𝐶 ≈ 𝐼𝐸
Hallar la tensión de colector a tierra restando la tensión a través de la resistencia de colector a la tensión de alimentación del colector: 𝑉𝐶 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶 ∙ 𝑅𝐶
Calcular la tensión emisor-colector restándole la tensión de emisor a·la tensión de colector:
Actividades.
28.
𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶 − 𝑉𝐸
¿Cuál será la tensión entre colector-emisor para cada uno de los siguientes circuitos? Dibuja la recta de carga de cada circuito y representa el punto Q de trabajo en cada uno de ellos:
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CONTENIDOS 1
EL TRANSISTOR BIPOLAR (BJT). ....................................................................................................................2 1.1 1.2
2
CORRIENTES EN UN TRANSISTOR. ................................................................................................................5 2.1 2.2 2.3
3
RELACIÓN DE CORRIENTES. ...............................................................................................................................5 BETA DE CONTINUA O GANANCIA DE CORRIENTE. ...............................................................................................5 ACTIVIDADES. ...................................................................................................................................................6
LA CONEXIÓN EN EC..........................................................................................................................................7 3.1 3.2 3.3
4
EL TRANSISTOR SIN POLARIZACIÓN. ...................................................................................................................3 EL TRANSISTOR POLARIZADO. ............................................................................................................................4
CORRIENTE POR LA BASE. ..................................................................................................................................8 TENSIÓN Y POTENCIA DE COLECTOR...................................................................................................................8 ACTIVIDADES. ...................................................................................................................................................9
POLARIZACIÓN DE TRANSISTORES. ...........................................................................................................11 4.1 POLARIZACIÓN DE BASE. .................................................................................................................................11 4.1.1 El punto de saturación................................................................................................................................11 4.1.2 El punto de corte. .......................................................................................................................................11 4.1.3 El transistor en conmutación. .....................................................................................................................12 4.1.4 Actividades. ................................................................................................................................................13 4.2 POLARIZACIÓN DE EMISOR. ..............................................................................................................................14 4.2.1 Actividades. ................................................................................................................................................15 4.3 POLARIZACIÓN POR DIVISIÓN DE TENSIÓN. .......................................................................................................17 4.3.1 Actividades. ................................................................................................................................................18
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1 El transistor bipolar (BJT). Un transistor es un dispositivo electrónico compuesto por tres capas de semiconductores de silicio o germanio una central de tipo n o p rodeadas de dos del tipo p o n.
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1.1 El transistor sin polarización.
Para evitar confusiones entre los transistores npn y pnp, nuestra exposición se centrará en el transistor npn. El transistor de la figura de abajo es un dispositivo npn porque hay una zona p entre dos zonas n. Recordemos que los portadores mayoritarios son electrones libres en los materiales tipo n y huecos en los materiales tipo p.
•
Niveles de dopaje: El emisor está fuertemente dopado. Por otro lado, la base está ligeramente dopada. El nivel de dopaje del colector es intermedio, entre los dos anteriores. Físicamente el colector es la zona más grande de las tres.
•
El transistor de la figura tiene dos uniones: una entre el emisor y la base y otra entre la base y el colector. El diodo inferior se denomina el diodo emisor-base, o diodo emisor. El diodo superior se denomina diodo colector- base, o diodo colector.
•
Cada diodo tiene una barrera de potencial de 0,7 V (si es de silicio), aproximadamente.
Un transistor sin polarizar es similar a dos diodos contrapuestos.
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1.2 El transistor polarizado.
Se entiende por POLARIZAR UN TRANSISTOR el suministrarle las fuentes de tensión continuas externas adecuadas para que circulen las intensidades que queramos en cada caso. Por ejemplo: para poner en funcionamiento una radio de casa le tenemos que poner pilas. Con ello estaremos POLARIZANDO los transistores incluidos en la radio. La figura siguiente es la forma más habitual de polarizar un transistor:
•
La fuente de la izquierda VBB polariza directamente el diodo emisor.
•
La fuente de la derecha VCC polariza inversamente el diodo de colector.
Aunque son posibles otros métodos de polarización, polarizar en directa el diodo emisor y en inversa el diodo colector produce los resultados más útiles. Lo que sucede, se tiene en la siguiente figura:
•
VBB polariza directamente el diodo emisor, obligando a los electrones libres del emisor a entrar en la base.
•
La estrecha y apenas dopada base hace que casi todos ellos tengan el tiempo suficiente para difundirse en el colector.
•
Estos electrones circulan a través del colector, a través de RC y hacia el terminal positivo de la fuente de tensión VCC·
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2 Corrientes en un transistor. La figura siguiente muestra el símbolo de un transistor npn:
Hay tres corrientes distintas en el transistor:
La corriente de emisor IE. La corriente de base IB. La corriente de colector IC.
2.1 Relación de corrientes. Recuérdese la LEY DE LAS CORRIENTES DE KIRCHHOFF:
Establece que la suma de todas las corrientes que entran a un nudo o unión es igual a la suma de todas las corrientes que salen de ese nudo o unión. Al aplicarse a un transistor, la ley de Kirchhoff proporciona esta importante relación entre las tres corrientes del transistor: 𝐼𝐸 = 𝐼𝐶 + 𝐼𝐵
Esta ecuación indica que la corriente de emisor es la suma de la corriente de colector y la corriente de base.
Teniendo en cuenta que la corriente de base es mucho menor que la corriente de colector, es habitual hacer las siguientes aproximaciones:
•
•
La corriente de colector es igual a la corriente de emisor: 𝐼𝐶 ≈ 𝐼𝐸
La corriente de base es mucho más pequeña que la corriente de colector: 𝐼𝐵 ≪ 𝐼𝐶
2.2 Beta de continua o ganancia de corriente.
La beta de continua (simbolizada βdc) de un transistor se define como la relación entre la corriente continua del colector y la corriente continua de la base: 𝛽𝑑𝑐 =
𝐼𝐶 𝐼𝐵
La beta de continua se conoce también como la GANANCIA DE CORRIENTE porque …. UNA PEQUEÑA CORRIENTE DE BASE PRODUCE UNA CORRIENTE MUCHO MAYOR DE COLECTOR.
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2.3 Actividades. 1. 2. 3.
Un transistor tiene una corriente de colector de 10 mA y una corriente de base de 40 µA. ¿Cuál es la ganancia de corriente del transistor? Un transistor tiene una ganancia de corriente de 175. Si la corriente de base es de 0.1 mA, ¿cuál es el valor de la corriente de colector? Un transistor tiene una corriente de colector de 2 mA. Si la ganancia de corriente es de 135, ¿cuál es el valor de la corriente de base?
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3 La conexión en EC. La forma más útil de conectar un transistor es en EC (Emisor Común).
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El lado común o masa de cada fuente de tensión está conectado al emisor.
•
El circuito tiene dos mallas: La malla de la izquierda es el CIRCUITO DE BASE. La malla de la derecha es el CIRCUITO DE COLECTOR.
•
En la malla de base, la fuente VBB polariza en directa al diodo emisor con RB como resistencia limitadora de corriente. Usando diferentes valores de VBB o RB se puede controlar la corriente de base IB.
•
En la malla del colector hay una fuente de tensión de valor VCC que polariza, en inversa al diodo colector a través de RC.
•
En los circuitos de transistores se usa notación de doble subíndice: Cuando los subíndices son iguales, la tensión representa una fuente: VBB y VCC. Cuando los subíndices son diferentes representan las tensiones entre dos puntos: VBE y VCE.
•
Los subíndices simples se usan para las tensiones de los nodos, es decir, tensiones entre el punto del subíndice y masa: La tensión VB es la tensión entre la base y masa. La tensión VC es la tensión entre el colector y masa: La tensión VE es la tensión entre el emisor y masa:
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Por lo tanto: 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶 − 𝑉𝐸 𝑉𝐶𝐵 = 𝑉𝐶 − 𝑉𝐵 𝑉𝐵𝐸 = 𝑉𝐵 − 𝑉𝐸
En el caso del circuito que estamos estudiando, VE es cero (está unido a la masa): 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶 𝑉𝐶𝐵 = 𝑉𝐶 − 𝑉𝐵 𝑉𝐵𝐸 = 𝑉𝐵
3.1 Corriente por la base.
La curva característica de entrada de un transistor será igual que la de un diodo. En la malla de entrada (malla dela base) solo el diodo emisor entraría en juego.
Aplicamos la ley de ohm a la resistencia de la base: 𝑉𝐵𝐵 − 𝑉𝐵𝐸 𝐼𝐵 = 𝑅𝐵
3.2 Tensión y potencia de colector.
Si se aplica al circuito del colector, la ley de las tensiones de Kirchhoff nos da esta importante ecuación: 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶 ∙ 𝑅𝐶
El transistor presenta una disipación de potencia aproximada de: 𝑃𝐷 = 𝑉𝐶𝐸 ∙ 𝐼𝐶
Una de las informaciones más importantes que aparece en las hojas de características es la potencia máxima PD(máx).
El consumo de potencia debe ser menor que PD(máx) para evitar que se destruya el transistor. Página 8 de 18
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3.3 Actividades. 4.
Calcule la corriente de base del siguiente transistor polarizado. ¿Cuál es la tensión a través de la resistencia de base? ¿Y la corriente de colector, si βdc = 200?
5.
El transistor de la siguiente figura tiene βdc = 300. Calcule IB, IC, VCE y PD.
6.
La siguiente figura muestra un circuito de transistor diseñado en un ordenador con el programa EWB. Calcula la ganancia de corriente del 2N4424.
7.
Un transistor tiene una corriente de emisor de 10 mA y una corriente de colector de 9,95 mA. ¿Cuál es la corriente de base? La corriente de colector vale 5 mA y la corriente de base vale 0,02 mA. ¿Cuál es el valor de la ganancia de corriente? Un transistor tiene una ganancia de corriente de 125 y una corriente de base igual a 30 mA. ¿Qué valor tiene la corriente de colector? Si la corriente de colector es de 50 mA y la ganancia de corriente es de 65, ¿cuánto vale la corriente de base? ¿Cuál es el valor de la corriente de base en el siguiente circuito?
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Tema 04. Transistores
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Si la ganancia de corriente disminuye de 200 a 100 en el circuito anterior, ¿cuánto vale la corriente de base? Un circuito de un transistor, similar al del problema 5, tiene una fuente de polarización de colector de valor 20 V, una resistencia de colector igual a 1,5 kΩ y una corriente de colector de 5 mA. ¿Cuál es el valor de la tensión colector-emisor? Si en un transistor la corriente de colector es de 100 mA y la tensión colector-emisor es de 3,5 V, ¿qué potencia disipa? Diseñe un circuito en EC que cumpla los requisitos siguientes: VBB = 5 V, VCC = 15 V, hFE = 120, IC= 10 mA y VCE = 7,5 V. Suponga ·que se conecta un LED en serie con los 820 Ω en el circuito del problema 5. ¿Qué valor tiene la corriente en el LED?
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Tema 04. Transistores
4 Polarización de transistores. La polarización de transistores consiste en configurar los transistores para que trabajen en la ZONA ACTIVA. Es decir buscamos que trabajen en la zona en la que se comportan como AMPLIFICADORES. Estudiaremos tres tipos de polarización:
•
De base.
•
De emisor.
•
Por divisor de tensión. Esta última es la mejor y más empleada.
4.1 Polarización de base. El circuito siguiente es un ejemplo de polarización de base, lo que significa establecer un valor CONSTANTE PARA LA CORRIENTE DE BASE.
La tensión colector-emisor viene dada por: Resolviendo para IC nos da:
4.1.1
El punto de saturación.
𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶 ∙ 𝑅𝐶 𝐼𝐶 =
𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐶𝐸 𝑅𝐶
El punto de saturación es el punto en que la recta de carga corta a la zona de saturación de las curvas de salida. Como la tensión colector-emisor en saturación es muy pequeña, el punto de saturación es casi idéntico al extremo superior de la recta de carga. 𝑉𝐶𝐶 𝐼𝐶(𝑠𝑎𝑡) = 𝑅𝐶 El punto de saturación indica la máxima corriente de colector que es posible alcanzar en el circuito. En nuestro ejemplo, la máxima corriente de colector posible es aproximadamente de 5 mA. A esta corriente, VCE ha decrecido aproximadamente a cero. 𝑉𝐶𝐶 15 𝑉 = = 5 𝑚𝐴 𝐼𝐶(𝑠𝑎𝑡) = 3 𝐾Ω 𝑅𝐶
En el punto de saturación VCE es igual a cero, es como si se produjera un corto entre colector y emisor en el transistor. 4.1.2
El punto de corte. El punto de corte es el punto en el que la recta de carga corta a la zona de corte de las curvas de salida.
Como la corriente de colector en corte es muy pequeña, el punto de corte es casi idéntico al extremo inferior de la recta de carga. Página 11 de 18
Tema 04. Transistores
𝑉𝐶𝐸(𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒) = 𝑉𝐶𝐶
El punto de corte indica la máxima tensión colector-emisor que es posible alcanzar en el circuito. En nuestro ejemplo, la máxima tensión posible colector-emisor es aproximadamente 15 V, que es el valor de la fuente de tensión del colector. 𝑉𝐶𝐸(𝑐𝑜𝑟𝑡𝑒) = 𝑉𝐶𝐶 = 15 𝑉
En el punto de saturación VCE es igual a VCC, es como si entre colector y emisor en el transistor hubiese un circuito abierto. 4.1.3
El transistor en conmutación.
La polarización de base es útil en los circuitos de conmutación, ya que, por lo general, estos circuitos se diseñan para funcionar en saturación y en corte. A continuación se dará un ejemplo de cómo se usa un circuito con polarización de base para conmutar (cambiar) entre saturación y corte.
•
Cuando el conmutador se cierra, el transistor está en el punto de saturación. Consecuentemente, la tensión de salida (Vout) es aproximadamente de 0 V.
•
Cuando el conmutador se abre, el transistor está en el punto de corte. La corriente de base se hace cero, por lo que la corriente de colector también se hace cero. Por tanto, la tensión de salida (Vout) crece hasta 10 V.
El circuito sólo puede tener dos tensiones de salida: 0 V ó + 10 V. Así es como se puede reconocer un circuito digital: sólo tiene dos niveles de salida, bajo o alto.
A los circuitos digitales a menudo se les llama circuitos de conmutación.
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4.1.4
Actividades.
17.
Calcule los valores de saturación y corte para los siguientes circuitos.
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4.2 Polarización de emisor. Para circuitos de amplificación nos conviene que sea estable por lo que la polarización de base no nos es útil, recurriremos a la polarización de emisor.
Como se puede ver, la resistencia se ha cambiado del circuito de base al circuito emisor. Ese único cambio provoca una enorme diferencia.
•
La fuente de polarización de la base se aplica ahora directamente a la base.
•
El emisor ya no está puesto a tierra. Ahora la tensión de emisor es mayor que la de masa y está dada por: 𝑉𝐸 = 𝑉𝐵𝐵 − 𝑉𝐵𝐸
•
La tensión entre la base y masa es de 5 V. De ahora en adelante nos referiremos a esta tensión base-masa simplemente como la tensión de base; o sea, VB.
•
La tensión entre el emisor y masa será llamada: tensión de emisor, VE. Es igual a:
•
𝑉𝐸 = 𝑉𝐵𝐵 − 𝑉𝐵𝐸 = 5 V − 0.7 𝑉 = 4.3 𝑉
Dicha tensión está presente entre los extremos de la resistencia de emisor, por lo que se puede usar la ley de Ohm para calcular la corriente de emisor: 𝐼𝐸 =
𝑉𝐸 4.3 𝑉 = = 1.95 𝑚𝐴 𝑅𝐸 2.2 𝐾Ω
Esto supone que, en muy buena aproximación, la corriente de colector (IC) es de 1,95 mA
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Tema 04. Transistores
•
•
Cuando esta corriente de colector circula por la resistencia de colector, produce una caída de tensión. Restando este valor de la tensión de la fuente de colector se obtiene la tensión entre el colector y masa que será llamada: tensión de colector, VC. Es igual a: 𝑉𝐶 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶 ∙ 𝑅𝐶 = 15 𝑉 − (1.95 𝑚𝐴) ∙ (1𝐾Ω) = 13.1 𝑉
Para hallar la tensión colector-emisor, VCE, restamos la tensión de emisor a la de colector: 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶 − 𝑉𝐸 = 13.1 − 4.3 = 8.8 𝑉
Si vemos los diferentes cálculos comprobamos que los resultados son independientes a la ganancia del transistor βdc, así que la ganancia es mucho más estable en la polarización de emisor que en la polarización de base.
4.2.1
Actividades.
18.
¿Cuál es la tensión entre el colector y tierra en el circuito siguiente? ¿Y entre el colector y el emisor?
19.
Dibuje la recta de carga para el siguiente circuito. ¿Cuál es la corriente de colector en el punto de saturación? ¿Y la tensión colector-emisor en el punto de corte?
20.
Dibuje la recta de carga para el siguiente circuito. ¿Cuál es la corriente de colector en el punto de saturación? ¿Y la tensión colector-emisor en el punto de corte?
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Tema 04. Transistores
21. 22. 23.
24. 25. 26.
27.
En el circuito del problema 1, ¿cuál es la tensión entre el colector y masa si la ganancia de corriente vale 100? La ganancia de corriente fluctúa entre 25 y 300 en el circuito del problema 1. ¿Cuál es el .valor mínimo de la tensión de colector a masa? ¿Y el máximo? ¿Cuál es la tensión de colector en el siguiente circuito? ¿Y la tensión de emisor?
Si la resistencia de emisor se duplica en el problema 5, ¿cuál es la tensión colectoremisor? Si la tensión de la fuente de colector disminuyese a 15 V en el problema 5, ¿cuál es la tensión de colector? ¿Cuál es la tensión de colector en el siguiente circuito si VBB = 2 V?
En el siguiente circuito, el primer transistor tiene una ganancia de comente de 100, mientras que la ganancia de corriente del segundo transistor es de 50. ¿Cuál es la corriente de base en el primer transistor?
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4.3 Polarización por división de tensión.
Es el circuito de polarización más extensamente utilizado. Obsérvese que el circuito de la base tiene un divisor de voltaje (R1 y R2) y, por eso, el circuito se llama polarización por división de tensión.
En un circuito de división de tensión bien diseñado la corriente por la base debe ser cercana a cero por lo que tendremos el circuito equivalente siguiente:
En este circuito, la tensión de salida del divisor es la siguiente: 𝑅2 𝑉𝐵𝐵 = � � ∙ 𝑉𝐶𝐶 𝑅1 + 𝑅2 Como puede apreciarse, la polarización por división de tensión es realmente una polarización de emisor enmascarada; es decir, los siguientes circuitos son equivalentes:
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Tema 04. Transistores
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•
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•
4.3.1
Calcular la tensión en la base VBB a través del divisor de tensión: 𝑉𝐵𝐵 = �
𝑅2 � ∙ 𝑉𝐶𝐶 𝑅1 + 𝑅2
Restar 0,7 V para conseguir la tensión de emisor (0,3 para el germanio): 𝑉𝐸 = 𝑉𝐵𝐵 − 𝑉𝐵𝐸
Dividir por la resistencia de emisor para obtener la corriente de emisor: 𝐼𝐸 =
𝑉𝐸 𝑅𝐸
Suponer que la corriente de colector es aproximadamente igual a la corriente de emisor: 𝐼𝐶 ≈ 𝐼𝐸
Hallar la tensión de colector a tierra restando la tensión a través de la resistencia de colector a la tensión de alimentación del colector: 𝑉𝐶 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶 ∙ 𝑅𝐶
Calcular la tensión emisor-colector restándole la tensión de emisor a·la tensión de colector:
Actividades.
28.
𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶 − 𝑉𝐸
¿Cuál será la tensión entre colector-emisor para cada uno de los siguientes circuitos? Dibuja la recta de carga de cada circuito y representa el punto Q de trabajo en cada uno de ellos:
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