El transistor bipolar

bulletIntroducción
bulletConstitución
bulletIdentificación de terminales
bulletComprobación del estado de un transistor
bulletDistribución de corrientes
bulletParámetros del transistor
bulletTensiones de ruptura
bulletCurvas características
bulletCaracterística Ic=f(Vce) pra Ib=cte.
bulletCaracterística Ib=f(Vbe) pra Vce=cte.
bulletCaracterística de potencia máxima
bulletPolarización del transistor
bulletCon dos fuentes de alimentación
bulletCon una fuente de alimentación
bulletCálculo de la recta de carga
bulletEl transistor como amplificador
bulletGanancia en tensión y corriente sobre curvas características.

 

Introducción

Antes de descubrirse el transistor (1950), los circuitos electrónicos estaban constituidos a base de válvulas de vacío. Estas eran voluminosas, provocaban un gran consumo de energía y su vida era corta.

El invento del primer transistor por Schockley dio paso a una nueva era.

Constitución

El transistor bipolar está formado por tres cristales semiconductores alternando los tipos N y P, dando lugar a dos tipos diferentes, los NPN y los PNP.

El emisor se fabrica muy dopado, mientras que la base se realiza poco dopada y muy delgada.

Casi todos los portadores que salen del emisor atraviesan la base y llegan al colector, siendo éste flujo de electrones regulado por la tensión aplicada a la base.

Identificación de terminales

Para identificar el tipo de transistor (NPN o PNP) y la disposición de sus terminales nos basamos en las propiedades de la unión PN de ofrecer poca resistencia en polarización directa y alta en polarización inversa.

Es fácil identificar la base, pues deberá presentar baja resistencia respecto de los otros dos terminales.

Además, la unión base-colector tiene menor resistencia que la unión base-emisor, lo que identifica los otros dos terminales.

Comprobación del estado del transistor

Deberá tener:

bullet Alta resistencia entre emisor y colector en ambos sentidos.
bullet Alta resistencia en un sentido y baja en el otro para las uniones base-emisor y base-colector.

Algunos polímetros poseen comprobador de transistores siendo capaces de medir su ganancia y de identificar sus terminales ya que, si no se conecta adecuadamente, no mide ganancia alguna. Para ello disponen de dos filas de tres conexiones, una para transistores PNP y otra para transistores NPN.

Distribución de corrientes

En los esquemas siguientes se representa el reparto de corrientes para un transistor PNP.

Se ha polarizado la unión base-emisor directamente y la unión base-colector inversamente.

Al polarizar directamente el emisor y la base, se establece una corriente que debería cerrarse por la malla emisor-base. Sin embargo, al ser la base muy delgada y estar el colector muy "negativo", casi toda la carga atraviesa la base hacia el colector, siendo la corriente de colector mucho mayor que la de base (99%), cumpliendo la ecuación:

IE = IB + IC

Aunque la corriente de base es muy pequeña, es muy importante, regulando la de colector. La corriente de colector disminuye y aumenta con la de base y si ésta se anula, la de colector también se anula.

Para el caso de un transistor NPN, el razonamiento es análogo.

Sin embargo, en este caso, se comprende mejor el reparto de corrientes si se considera el sentido de corriente "electrónico".

Parámetros del transistor.

bullet Parámetro alfa (a).

Indica la relación entre las corrientes de colector y emisor

Su valor es algo inferior a la unidad.

bullet Parámetro beta o ganancia de corriente (b).

Es la relación entre las corrientes de colector y de base.

Se puede deducir la relación entre ambos parámetros.

La ganancia de corriente no es constante, sino que aumenta con la corriente de colector y con la temperatura.

Al diseñar circuitos con transistores se incluyen sistemas que compensen o minimicen estas variaciones.

Tensiones de ruptura.

En polarización inversa, las uniones no soportan cualquier tensión. Habrá que tener en cuenta:

bullet La tensión inversa colector-base con el emisor abierto (UCBO).

Suele ser elevada (de 20 a 300 voltios) y provoca una pequeña corriente de fugas (ICBO).

bullet La tensión inversa colector-emisor con la base abierta (VCEO).

También provoca una corriente de fugas (ICEO).

Curvas características

Son curvas que relacionan entre sí distintas magnitudes referentes al transistor, como son:

·        IC en función de VCE para IB = Cte.

·        IB en función de VBE para VCE = Cte.

·        Potencia máxima.

Trataremos únicamente las curvas características en la polarización con emisor común por ser la más ampliamente utilizada.

Característica IC = f (VCE) para IB = Cte

Se suele representar una familia de curvas para varias intensidades de base diferentes. Manteniendo constante la intensidad de base se representan los valores de la corriente de colector para distintas tensiones colector-emisor.

Para intensidades de base no muy altas la tensión VCE afecta poco a la intensidad de colector que se mantiene casi constante para cada intensidad de base, siempre que la tensión VCE se mantenga por encima de unos 0.7 voltios y por debajo de la de ruptura.

Para una misma VCE la intensidad de colector crece mucho (del orden de miliamperios) para pequeños incrementos de la corriente de base (del orden de microamperios).

 

Por ejemplo:

Para VCE = 20 V

bullet DIB = 150 - 50 = 100 mA
DIB = 0,1 mA
bullet DIC = 39 - 12 = 27 mA

De lo cual se deduce la capacidad del transistor para amplificar corrientes.

 

Se puede obtener la ganancia del transistor a partir de las curvas.

También permiten determinar la resistencia de salida que vendría dada por:

Por ejemplo:

bullet DVCE = 40 - 20 = 20 V
bullet DIC = 43 - 39 = 4 mA

 

Característica IB = f (VBE) para VCE = Cte

Se trata de curvas muy similares a las de un diodo, donde se mantiene constante la VCE y se representa la intensidad de base en función de la tensión VBE.

Como ocurre con los diodos hay cierta diferencia entre los transistores de germanio que empiezan a conducir a unos 0.2 voltios de tensión VBE y los de silicio que lo hacen a unos 0.6 voltios. Aunque casi todos los transistores utilizados son de silicio los de germanio aún se usan en ciertas aplicaciones.

 

Estas curvas permiten el cálculo de la resistencia de entrada:

La resistencia de entrada se hace muy pequeña una vez se ha superado el codo de la tensión de conducción.

Por ejemplo, para el silicio:

DIB = 100 - 50 = 50 mA

DVBE = 0,89 - 0,87 = 0,02 V

 

Características de potencia máxima

El transistor posee una resistencia entre el colector y el emisor que depende de la intensidad aplicada a la base.

Por efecto Joule el transistor disipa una potencia en dicha resistencia en forma de calor.

Si se supera la potencia máxima indicada por el fabricante el transistor podría destruirse.

La potencia máxima a que puede trabajar un transistor viene dada por la temperatura en la unión de colector y depende de la temperatura ambiente.

Para aumentar la potencia en un transistor sin que se destruya se puede recurrir a colocarle un disipador de calor o aleta de refrigeración que le ayude a evacuar el calor al ambiente.

 

Polarización del transistor

Polarizar un transistor consiste en suministrar las tensiones adecuadas y conectar las resistencias oportunas para que el transistor funcione dentro de los limites indicados en el diseño, de forma que la señal aplicada a la entrada no resulte deformada a la salida.

Existen tres configuraciones fundamentales, de las cuales la más utilizada es la de emisor de común:

Polarización mediante dos fuentes de alimentación

Las tensiones VBE y VCE adecuadas se consiguen mediante dos baterías independientes: VBB y VCC.

Necesita dos fuentes y es muy sensible a los cambios de beta y de temperatura.

Polarización mediante una sola fuente de alimentación

Por realimentación del emisor

Las tensiones adecuadas de VBE y VCE se consiguen eligiendo adecuadamente las resistencias, siendo común a la entrada y a la salida la caída de tensión en RE

bullet VBE = VCC - VRB - VRE
bullet VCE = VCC - VRC - VRE

Un aumento de temperatura o de beta provoca un aumento de IC y por tanto de IE y de la tensión en RE. La tensión en RB disminuirá y también IB compensando el incremento de la salida.

 

Por realimentación del colector

La caída de tensión en RC es común al circuito de entrada y al de salida

bullet VBE = VCC - VRC - VRB
bullet VCE = VCC - VRC

RC pertenece al circuito de entrada y de salida (realimentación).

 

Es más estable ante los cambios de temperatura y de beta ya que si aumenta IC lo hace VRC lo que hace disminuir la tensión en RB y por tanto la corriente de base. Aumentos de IC provocan una reducción de IB que compensa dicho incremento.

Por realimentación del emisor con divisor de tensión.

Es una variante de la polarización por realimentación del emisor donde la tensión en la base se consigue mediante un divisor de tensión (RB1 y RB2).

bullet VBE = VCC - VRB1 - VRE
bullet VCE

 

Cálculo de la recta de carga

Una vez establecida una cierta polarización para un transistor, podemos establecer la ecuación que rige la intensidad de colector respecto de la tensión VCE. Esta ecuación define una recta que puede superponerse a las gráficas IC = f (VCE) determinando los puntos de funcionamiento del transistor.

Por ejemplo, en el circuito siguiente polarizados con dos fuentes de alimentación, se establece la siguiente ecuación para la malla de colector:

 

La forma más fácil de trazar la recta correspondiente sobre las curvas del transistor es encontrar los puntos de intersección con los ejes (para IC = 0 y para VCE =0).

Uniendo estos dos puntos sobre las curvas del transistor obtenemos la recta de carga del transistor.

Punto de saturación:

Corresponde a la mayor intensidad de base posible. La intensidad de colector es máxima.

Punto de trabajo:

Corresponde a la intensidad de base determinada por la malla de base del transistor y es el punto de trabajo normal con la polarización utilizada.

Punto de corte:

Corresponde a una intensidad de base igual a cero (IB = 0). La corriente de colector es casi nula (sólo la de fugas).

 

El transistor bipolar como amplificador

El punto de trabajo debe situarse aproximadamente en el centro de la recta de carga.

Si se desplaza  a la zona de saturación la intensidad de colector se hace máxima y deja de responder a los incrementos de intensidad de base.

Si se desplaza a la zona de corte la intensidad de colector se hace cero y el transistor no conduce.

Entre el corte y la saturación, el transistor funciona como amplificador, ya que, a cada intensidad de base (del orden de microamperios) corresponde una intensidad de colector amplificada (del orden de miliamperios).

 

Si en la entrada del circuito provocamos mediante una señal exterior un aumento de intensidad de base, se produce un aumento de intensidad de colector y lo mismo si disminuye.

Las señales aplicadas a la base se ven así reflejadas en el colector, pero amplificadas desde el orden de microamperios al orden de miliamperios.

 

 

Si la intensidad de base rebasa el punto de saturación la intensidad de colector no puede seguirla y la señal de salida se ve recortada.

Si la intensidad de base se anula también lo hace la de colector, recortando la señal de salida por el otro extremo.

 

Es importante pues, que la polarización determine el punto de trabajo en la zona media de la recta de carga para evitar así recortes en la señal de salida. Aún así, la amplitud máxima de la señal de entrada quedará limitada por los puntos de corte y saturación, si no queremos recortes en las salida.

 

Ganancia en tensión y corriente sobre curvas características

El circuito de polarización establece el punto de trabajo en la zona central de la recta de carga.

Mediante unos condensadores de entrada y de salida se aísla el circuito de polarización, ya que, los condensadores no permiten el paso de la corriente continua.

Al aplicar una señal alterna (variable) a la entrada, se refleja en la otra placa del condensador superponiéndose a la intensidad de base de polarización.

Aumentos de la señal de entrada producen aumentos de la intensidad de base desplazando el punto de trabajo hacia arriba en la recta de carga.

Disminuciones de la señal de entrada producen reducciones de la intensidad de base, desplazando el punto de trabajo hacia abajo en la recta de carga.

El desplazamiento del punto de trabajo se refleja en cambios en el valor de la intensidad de colector que reproduce las variaciones de la intensidad de base, pero en el orden de miliamperios en vez del orden de microamperios de la base.

 

La tensión VCE también refleja las modificaciones, reproduciendo en tensión la señal de entrada. La amplitud de esta señal viene determinada por el valor de la fuente de alimentación de colector VCC, ya que nunca podría superar este valor.

Recordemos que se definía como ganancia en corriente al parámetro beta del transistor, en la forma:

 

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