El transistor bipolar de unión (BJT). Análisis en CC

Estructura del transistor BJT

Se trata de un dispositivo formado por dos uniones y que tiene tres terminales (llamados emisor, base y colector). Hay dos tipos, NPN y PNP

La zona N con elementos donantes de electrones (cargas negativas) y la zona P de aceptadores o huecos (cargas positivas)

La zona de emisor es la más fuertemente dopada de las 3 zonas, es la zona encargada de “emitir” o inyectar portadores mayoritarios hacia la base. Huecos en el caso de un transistor pnp o electrones en el caso del transistor pnp.

La base tiene un nivel de dopado netamente inferior al de la zona de emisor. Se trata de una zona con un espesor muy inferior al de las capas exteriores. Su misión es la de dejar pasar la mayor parte posible de portadores inyectados por el emisor hacia el colector.

La zona de colector, como su propio nombre indica es la encargada de recoger o “colectar” los portadores que inyectados por el emisor han sido capaces de travesar la base. Es la zona con un nivel de dopado inferior de las tres zonas

Al igual que en el diodo en las uniones p-n se forma una zona de agotamiento que tendrá grosores diferentes según el dopado de cada material.

Su funcionamiento es el siguiente:

Inicialmente el emisor inyecta portadores mayoritarios en la base en donde se convierten en portadores minoritarios. Como la base está poco dopada, sólo algunos portadores se recombinan con los pocos portadores de carga contraria presentes en la base y por tanto la corriente de base es muy pequeña. Además debido a su pequeño espesor, muchos portadores son capaces de atravesar la base y pasar al colector donde son arrastrados hasta el contacto eléctrico.

Operación BJT

Funcionamiento del BJT

En general se definen varias tensiones y corrientes en el transistor

Entre los terminales de colector (C) y emisor (E) se aplica la potencia a regular, y en el terminal de base (B) se aplica la señal de control

Con pequeñas variaciones de corriente a través del terminal de base, se consiguen grandes variaciones a través de los terminales de colector y emisor

El transistor bipolar basa su funcionamiento en el control de la corriente que circula entre el emisor y el colector del mismo, mediante la corriente de base.

En esencia un transistor se puede considerar como un diodo en directa (unión emisor-base) por el que circula una corriente elevada, y un diodo en inversa (unión base-colector), por el que, en principio, no debería circular corriente, pero que actúa como una estructura que recoge gran parte de la corriente que circula por emisor-base.

Regiones de funcionamiento

Corte: Cuando el transistor se encuentra en corte no circula corriente por sus terminales. Concretamente, y a efectos de cálculo, decimos que el transistor se encuentra en corte cuando se cumple la condición: IE = 0 ó IE < 0 (Esta última condición indica que la corriente por el emisor lleva sentido contrario al que llevaría en funcionamiento normal).

Para polarizar el transistor en corte basta con no polarizar en directa la unión base-emisor del mismo, es decir, basta con que

VBE=0

Activa: La región activa es la normal de funcionamiento del transistor. Existen corrientes en todos sus terminales y se cumple que la unión base-emisor se encuentra polarizada en directa y la colector-base en inversa.

VBE=0,7 V

Saturación: En la región de saturación se verifica que tanto la unión base-emisor como la base-colector se encuentran en directa. Se dejan de cumplir las relaciones de activa.

Donde las tensiones base-emisor y colector-emisor de saturación suelen tener valores determinados (0,8 y 0,2 voltios habitualmente). Es de señalar especialmente que cuando el transistor se encuentra en saturación circula también corriente por sus tres terminales, pero ya no se cumple la relación: IC = β IB⋅

Cuando trabaja en la zona de corte y la de saturación se dice que trabaja en conmutación. En definitiva, como si fuera un interruptor

Configuraciones del BJT

• Base común, si el terminal común es la base.• Emisor común, si el terminal común es el emisor.• Colector común, si el terminal común es el

colector.

Configuración de Base común

La terminología en base común se deriva del hecho de que la base es común tanto para la entrada como para la salida de la configuración.

se requieren dos conjuntos de características, uno para los parámetros de entrada (punto de manejo)

y el otro para el lado de salida

El conjunto de entrada para el amplificador en base común relaciona una corriente de entrada (IE) con un voltaje de entrada (VBE) para varios niveles de voltaje de salida (VCB).

Transistor tipo PNP

Curvas características Base común

Entrada y salida

Polarización (Detalles de la configuración Base común)

La polarización apropiada de la configuración de base común en la región activa se determina de inmediato con la aproximación y suponiendo por el momento que IB =0 Se tiene que siguiente circuito:

ACCIÓN AMPLIFICADORA DEL TRANSISTOR

las características de la figura 3.7 es muy pequeña y por lo regular varía de 10 a 100 Ω, mientras que la resistencia de salida es bastante alta de 50 kΩ 1 MΩ. Las diferencias entre los valores de las resistencias se debe al tipo de polaridad de directa (entrada Base – emisor) y polaridad inversa (salida base – colector).

Por ejemplo:

Los valores típicos de la amplificación de voltaje de la configuración en base común varían de 50 a 300. La amplificación de corriente (Ic/Ie) siempre es menor que 1 para la configuración en base común.

Configuración en Emisor Común

El emisor es común o sirve de referencia para las terminales de entrada y salida (en este caso es común para las terminales base y colector)

Se requieren dos conjuntos de características para describir plenamente el comportamiento de la configuración en emisor común:

una característica para el circuito de entrada o de base-emisor

otro para el circuito de salida o de colector-emisor.

Curvas características Emisor común

las características de salida son una gráfica de la corriente de salida (IC) con el voltaje de salida (VCE) para un intervalo de valores de la corriente de entrada (IB). Las características de entrada son una gráfica de la corriente de entrada (IB) contrael voltaje de entrada (VBE) para un intervalo de valores del voltaje de salida (VCE).

La región activa de la configuración en emisor común se emplea para amplificarvoltaje, corriente o potencia

Para propósitos de amplificación lineal hay que evitar que IB = 0 uA cuando se requiere una señal de salida no distorsionada

Polarización (Detalles de la configuración Emisor común)

Se determina de manera parecida a la de la configuración en base común. Aplicando las corrientes de nodos

Configuración en Colector Común

La configuración en colector común se utiliza sobre todo para igualar impedancias, puesto que tiene una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, lo contrario de las configuraciones en base común y en emisor común.

Para la configuración en colector común las características de salida son una gráfica de IE c con respecto a VCE con un rango de valores de IB. La corriente de entrada es, por consiguiente, la misma tanto con las características en emisor común como en colector común

En la práctica, las características de salida de la configuración en colector común son las mismas de la configuración en emisor común

Limites de operación (los mas comunes en catalogo)

• corriente máxima del colector (normalmente aparece en la hoja de especificaciones como corriente continua en el colector)

• voltaje máximo del colector al emisor (a menudo abreviado VCEO en la hoja de especificaciones)

• Nivel de disipación Pcmáx

Comprobación de transistores

Con el colector abierto la unión base a emisor deberá producir un bajo voltaje de cerca de 0.7 V con el cable rojo (positivo) conectado a la base y el negro (negativo) conectado al emisor. La inversión de los cables produce una indicación OL para representar la unión polarizada en inversa. Asimismo, con el emisor abierto se pueden verificar los estados de polarización en directa y en inversa de la unión base a colector

Un transistor en la región activa la unión base a emisor (NPN) está polarizada en directa y la unión base a colector está en inversa. En esencia, por consiguiente, la unión polarizada en directa deberá registrar una resistencia relativamente baja, en tanto que la unión polarizada inversa muestra un resistencia mucho más alta

PUNTO DE OPERACIÓN

Polarización de cd de los BJT

Para que el BJT se polarice en su región de operación lineal o activa lo siguiente debe ser cierto:

1. La unión base-emisor debe polarizarse en directa (voltaje más positivo en la región p), con el voltaje de polarización en directa resultante de cerca de 0.6 a 0.7 V.

2. La unión base-colector debe polarizarse en inversa (más positivo en la región n), con el voltaje de polarización en inversa de cualquier valor dentro de los límites del dispositivo.

CONFIGURACIÓN DE POLARIZACIÓN FIJA

El circuito de polarización fija es la configuración de polarización de cd más simple.

Para el análisis de cd se puede aislar la red de los niveles de ca indicados reemplazando los capacitores con un equivalente de circuito abierto, ya que la reactancia de un capacitor con cd es XC = 1/(2fC) = , porque la f=o Hz en DC.

Saturación del transistor

Posee valores máximos de corriente de colector

Análisis por medio de la recta de cargaDefinida por la resistencia de carga la cual determina la pendiente de la recta de carga

CONFIGURACIÓN DE POLARIZACIÓN DE EMISOR

Mejora la estabilidad del circuito en comparación de la configuración fija

Estabilidad de polarización mejorada

Cuando las condiciones externas cambian como temperatura y ganancia B la RE mejora la estabilidad de las corrientes de polarización en DC y los voltajes también

Nivel de saturaciónSe aplica en corto circuito entre el colector y el emisor

Análisis por medio de la recta de carga

Se realiza el análisis en la malla base emisor

CONFIGURACIÓN DE POLARIZACIÓN DE DIVISOR DE VOLTAJE

Permite no ser dependiente del valor de ganancia B del transistor.

Existen dos métodos que se pueden aplicar para analizar la configuración del divisor de voltaje:

método exacto, el cual se puede aplicar a cualquier configuración del divisor de voltaje.

método aproximado, se puede aplicar sólo si se satisfacen condiciones específicas, permite un análisis más directo con ahorro de tiempo y energía.

Saturación del transistor

Se aplica en corto circuito entre el colector y el emisor

Análisis por medio de la recta de carga

Igual que la polarización de emisor

CONFIGURACIÓN DE REALIMENTACIÓN DEL COLECTOR

se puede obtener un mejor nivel de estabilidad introduciendo una trayectoria de realimentación desde el colector a la base

La trayectoria de realimentación produce una reflexión de la resistencia RC de vuelta al circuito de entrada, muy parecida a la reflexión de RE.

Malla base-emisor

Malla colector-emisor

Condiciones de saturación

Utilizando la aproximación Ic= Ic´

la ecuación de la corriente de saturación es la misma que se obtuvo para las configuraciones del divisor de voltaje y de polarización de emisor.

Análisis por medio de la recta de carga

Utilizando la aproximación Ic= Ic´

la ecuación de la corriente de saturación es la misma que se obtuvo para las configuraciones del divisor de voltaje y de polarización de emisor.