Digital Apuntes Electrónica digital primera parte

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Curso de electrónica.

TRANSISTORES BIPOLARES

Introducción

         Los transistores bipolares son componentes semiconductores constituidos por la unión de tres cristales de Silicio (Si) o Germanio (Ge) con algún tipo de impureza. El orden de la ubicación de los cristales npn o pnp da el nombre a los dos tipos de transistores bipolares existentes. Tanto los transistores pnp como los npn son dispositivos electrónicos de tres terminales, conectados internamente a cada uno de los cristales que lo constituyen, que son conocidos con los nombres de Emisor, Base y Colector. En la siguiente figura se muestran los símbolos para representar los dos tipos de transistores.

          

            El emisor recibe este nombre porque es el que se encarga de emitir las cargas móviles (electrones o huecos, según sea el tipo) que atraviesan el transistor. El colector es aquella parte del componente que recibe la mayor parte de las cargas que parten del emisor. La base se encuentra entre  el emisor y el colector y recibe este nombre porque constituía el soporte de ambos cuando los transistores se fabricaban por el procedimiento de aleación. En la actualidad se efectúan por el procedimiento denominado Difusión. El transistor es un solo cristal (p o n ), en el cuál se efectúan dos difusiones para obtener tres capas diferentes.

TIPOS DE CONFIGURACIONES

         El transistor en aplicaciones que se analizarán mas adelante, pueden funcionar en tres configuraciones o montajes diferentes, denominados: Emisor Común (EC), Base Común (BC), y Colector Común (CC), cada una de estas tres configuraciones tiene distintas características eléctricas las cuales hacen que tengan distintas aplicaciones.
         La configuración BC la señal  de entrada procedente de un generador se aplica entre el emisor y la base, la resistencia de carga se conecta entre el colector y la base. La corriente de salida es prácticamente la misma que la entrada, por lo tanto no hay ganancia de corriente, en este caso es igual a la unidad (la ganancia se define como el cuociente entre la variable de salida con respecto de la entrada). La resistencia de entrada es muy pequeña y la de salida muy elevada.
         La configuración CC la señal de entrada se aplica entre la base y el colector, la carga se acopla entre emisor y el colector. La ganancia de corriente en este caso es elevada, la resistencia de entrada es muy grande y la resistencia de salida es pequeña.
         Por último se tiene la configuración EC, la señal de entrada se aplica entre la base y el emisor, la carga se conecta entre colector y emisor, la ganancia de corriente es elevada del mismo modo que el de CC, la resistencia de entrada es pequeña y la resistencia de salida es muy elevada.
         El montaje que más se aproxima a un circuito amplificador ideal de corriente es el EC y por consiguiente es el que mas se utiliza para amplificar. Las otras se utilizan para acoplar resistencias.
         La configuración BC, para adaptar una fuente de baja resistencia con una resistencia de carga de alto valor.
         La configuración CC, para adaptar una fuente de alta resistencia y una resistencia de carga de bajo valor.

CONFIGURACION  EMISOR COMÚN

         Polarización de un circuito emisor común con dos fuentes de alimentación

            Ecuaciones  del circuito

1.-     Para el circuito de base, planteando una ecuación de malla se tiene:

           Vb = Ib * Rb  +  V be
          
            De esta ecuación se puede despejar la corriente de base, Ib
                      Vb  -  Vbe
         Ib = 
                             Rb

         Para el circuito de colector, planteando una ecuación de malla, se tiene:

2.-     Ve = Ic  *  Rc  +  V ce
                                                                                                                     Ic
3.-     Se define  β  como el factor de amplificación de corriente,  β =
                                                                                                                     Ib

4.-     El punto de trabajo, Q corresponde a un punto dado por la corriente de colector y la tensión entre colector y el emisor,  Vce  de otra forma, Q (Vce; Ic).

         Zonas de Trabajo del Transistor

            Las zonas típicas  de trabajo del transistor son:

1.-     Zona Lineal, Trabaja como amplificador de señal
2.-     Zona de saturación, se reconoce porque la corriente de colector es máxima y la tensión de colector – emisor es cero.
3.-     Zona de Corte, se reconoce porque la corriente de colector es mínima y la tensión de colector- emisor es igual a Vc.

         Las zonas de corte y saturación es donde el transistor funciona como interruptor.

         Identificación de las zonas de funcionamiento del transistor

            La recta de carga corresponde a todos los puntos de trabajo que puede funcionar el transistor.

Circuito de polarización con fuente única

                                                                        

Para realizar el estudio del circuito y conocer  las corrientes para conocer la zona de trabajo del circuito es más adecuado obtener un circuito equivalente. Para lo cual se obtendrá un circuito equivalente thevenin en circuito de base. El cual queda de la siguiente forma.

Para obtener la resistencia equivalente se dejan las fuentes de tensión en corto circuito, el transistor queda desactivado para esta situación.
La tensión equivalente se obtiene de la tensión en R2, bebido a que la corriente que se drena hacia la base es muy pequeña si se compara con la corriente en R2.
Las ecuaciones del circuito son:

Para  que la corriente Ic, se haga independiente de las variaciones del factor β, en caso de reemplazar el transistor, se hace que:

Por lo tanto el punto Q de trabajo queda dado por los valores

Q ( 0.6 V ; 14.4 mili amp)

c) Para graficar la recta de carga se necesitan como mínimo dos puntos que por ella de pasar la recta de carga. Para encontrar estos puntos se trabaja de la siguiente manera, los cuales se graficaran en los ejes corriente de colector y la tensión de colector y emisor.

Para el estudio se trabaja con la ecuación de salida

Vcc = Rc * Ic +  Vce,  si hacemos Vce = 0 y se pone esta condición en la ecuación original. Se tiene:

   Vcc = Rc * Ic,  de donde se puede encontrar el otro valor buscado

 Ic = Vcc / Rc = 15v/ 1 KΩ = 15 mili amper
 Por lo tanto se tiene el primer punto para graficar le recta de carga:
A (0v; 15 mili amper)

 El punto B se encuentra haciendo, ahora, Ic = 0

Vcc = Ic * Rc + Vce, como Ic = 0; se tiene que:   Vce = Vcc = 15 v

Punto B (15 v;  0 mili amper)

Llevando esta información al gráfico se obtiene lo siguiente

De acuerdo al gráfico el punto de trabajo, Q  esta desplazado hacia la zona de máxima corriente y mínima tensión, la cual corresponde a la zona de saturación, por lo analizado anteriormente, cuando se estudiaron las zonas de trabajo del transistor.

Otro gráfico importante es cuando al gráfico anterior se le agrega la variable de entrada que es la corriente de entrada.

 Se cumple para transistor NPN  que: Ib0 <  Ib1 < Ib2 < Ib3  ……
En este caso el punto de trabajo Q, queda definido por la Vceq, la corriente Icq y la corriente de base Ibq.

Ejemplo Nº 2

Para el circuito de la figura anterior, si el punto de trabajo es:  Ic q = 8 mili amp, la tensión Vce q = 8 volt. Se pide calcular en valor de las resistencias de colector y emisor.

Ejemplo Nº 3

Para el circuito de la figura, si la Vceq = 6v,  Icq = 15 mili amp, β = 150, la  Re = ¼ Rc

Vth = Ib * Rth + Vbe + Ic * Re   ;    Ib =  Ic / β = 15 *10-3/ 150 = 100μa

Vth = (100*10-6 * 1200)v + 0.6 v + (15*10-3 * 80) v = 1.92 v

Si se multiplica la ecuac (**) por R1, se tiene:

Vth * R1 = Vcc* R1 * R2 / ( R1+R2)  (***)

Igualando las ecuaciones (*)  y  (***) se tiene:

(Vth/Vcc) * R1 = Rth, despejando la resistencia R1, se tiene:

R1 = Rth ( Vcc/ Vth) = 1200Ω * (12/1.92)= 7500 Ω

Calculo de  R2, se puede despejar de las ecuaciones (*)  o  (**) 

Trabajando con la ecuación (**)

 (R1+R2)*Vth = Vcc* R2

  R1 + R2  =  (Vcc/ Vth)*R2

  R1  =  R2 ( (Vcc/Vth)- 1)

R2 =  R1 / ( Vcc/Vth) -1)) = 7500 / (12/1.92) -1) = 1428,6Ω

Ejemplo Nº 4

Para el circuito de polarización universal de la figura anterior, si:

R1 = 7500 Ω,  R2 = 1428,6 Ω, Rc = 320 Ω  ,  Re = 80 Ω

Calcular el punto de trabajo Q

Ic = β * Ib  =  150 * 100*10 -6 = 15 mili amper

Planteando la ecuación de tensión en circuito de colector se tiene:

Vcc = Ic *Rc + Vce + Ic* Re = Ic ( Rc + Re) + Vce

Vce = Vcc – Ic ( Rc + Re ) = 12v- 15*10-3 (320Ω + 80 Ω) = 6 v

Transistor en Corte y  Saturación
  (Conmutación)

         El transistor en este caso funciona en los extremos de la zona de trabajo, vale decir, se sale de la zona lineal. Se dice que trabaja como un interruptor, cuando el transistor esta en saturación el interruptor esta cerrado y cuando el transistor no conduce se dice que el interruptor esta abierto. La siguiente figura representa el transistor en corte y saturación

         Para diseñar el circuito existen al menos dos métodos              

         Si Rb = 100 KΩ,  Rc = 10KΩ,  Vcc = 20v   y  Vbb = 10v, Transistor de silicio, β = 50.

         Nº 1  Método del Absurdo

Consiste en suponer que el transistor funciona en zona lineal (activa), luego se analiza dicha suposición.
1.- Suponer zona activa
2.-Realizar los cálculos
3.-Si surge respuesta falsa, la suposición es falsa

           Ic = β Ib  =  50 * 94 μ a =  4,7 mili amper

           Vcc  =  Ic * Rc + Vce  implica que  Vce = Vcc – Ic * Rc

         Vce =  20v – 4, 7 *10-3 * 10 * 103 = - 27v

         De los valores obtenidos se puede concluir que el transistor no funciona en zona lineal. Por lo tanto se puede decir con propiedad que el transistor esta funcionando en zona de conmutación.

         Método Nº 2

         En este caso se asume que el transistor esta en zona de saturación, por lo tanto:
         Vce = 0v,  de esta condición se tiene:

          Ic =  Vcc/ Rc = 20v/ 10k = 2mili amper, valor máximo de corriente

         Por la malla en cto de base se tiene que:

         Ib = 94 μa,   la corriente de colector es   Ic = 50* 94μa = 4,7 mili amper, valor si que estuviera en zona lineal.

         Como el valor, ultimo calculado es mayor que el valor máximo calculado en colector, también se puede decir que el transistor no esta trabajando en la zona lineal.

         Método Nº 3

El tercer método se conoce como saturación fuerte y se aplica la siguiente condición.
Ib = 0,1 Ic, también que la Vce = 0v

Utilizando el método Nº 3, diseñar el circuito para que el transistor funcione en conmutación. Si la corriente en colector es de 20 mili amper, siendo el transistor de silicio.

Vcc = Rc * Ic  +  Vce

Rc = Vcc/ Ic  =  20v / 20*10-3 = 1 KΩ

Ib = 0,1* Ic = 0,1 * 20 mili amper = 2 mili amper

Vbb = Rb *Ib + Vbe

El Transistor Bipolar como Amplificador

El transistor como amplificador en configuración Emisor Común se representa en la siguiente figura.

Esta configuración se utiliza como amplificador debido a que tiene tanto ganancia de corriente como tensión, o sea, tiene una buena ganancia de potencia. En esta aplicación como se puede observar en el esquema existen dos tipos de energía, una es la Vi , que es una señal alterna la cual se desea amplificar, esta señal puede provenir por ejemplo de un sensor ( aunque como se verá mas adelante existen otros dispositivo con características mejoradas para cumplir dicha tarea), también esta la tensión Vcc que es una tensión continua que se utiliza en parte para polarizar el transistor, vale decir fijar la zona de trabajo, en este caso debe ser sin ninguna duda la zona lineal .
También existen tres condensadores: Ci , C e  y  Co
El Ci, se conoce con el nombre de “Condensador de Acoplo de entrada”, su función es dejar pasar la señal alterna, pero al mismo tiempo bloquear la componente continua hacia el generador Vi, por lo tanto, el valor del condensador debe estar en función de la frecuencia de la señal alterna que se quiere procesar, un valor no adecuado puede atenuar en demasía la señal de Vi.
El Co, se conoce con el nombre de “Condensador de acoplo de salida”, su función es conectar la señal alterna a la carga y también bloquear la componente continua hacia la carga, si pasa la componente continua a la carga, lo que va a ocurrir es que se va a modificar el punto de trabajo del transistor y la consecuencia probable es que se produzca distorsión en la señal de salida.
El Ce, se conoce con el nombre de condensador de desacoplo de la Re, la función de éste es dejar parar por él las componentes alternas que no alcancen el circuito de carga y deban volver al generador, Vi si no esta el condensador el retorno lo debe hacer por la Re y esto  modificará el punto de trabajo (aumenta la VRe).
Ecuaciones aproximadas para calcular los valores de los condensadores y algunas consideraciones.

Para condensador Ci

Se debe tomar en cuenta que: R in >> X ci de tal forma que la señal de Vi se refleje en su gran mayoría en Rin, donde Rin es la Resistencia de entrada del amplificador para simplificar el estudio se va a asumir que la resistencia de entrada corresponde a la resistencia de base.

Rin = Rb // hie       ;   hie = 1KΩ   ,    Rb = R1//R2

La relación de 50 veces se utilizará para hacer que uno sea mucho mayor que el otro.

Para  calcular el  Co

Para el calculo del condensador de  desacoplo de salida, se compara el valor de la resistencia de colector, con la reactancia del condensador  Co de modo que se cumpla, la siguiente relación: