Polarización

Electrónica I

ContenidoPunto de operación

Polarización fija

Circuito estabilizado en emisor

Polarización por divisor de voltaje

Polarización por retroalimentación de voltaje

Otras configuraciones

Diseño

Conmutación

Transistores pnp

Estabilización de la polarización

Punto de operación

Polarización fija

IC

IB

VBE

VCE

+

+

Aplicando LKV a la malla de base:

VCC – IBRb – VBE = 0

b

BECCB R

VVI

Se cumple que IC = IB

VCE = VCC – ICRc

Ejemplo

Sea = 50 y Vcc = 12 V

Tomamos VBE = 0.7 V

IB = (12 – 0.7)/240k = 47 A

IC = 50IB = 2.35 mA

VCE = 12 – (2.35mA)(2.2k)

= 6.82 V

VBC = VB – VC = 0.7 – 6.82

= 6.12 V

Saturación

C

CCCsat R

VI

La corriente de saturación la encontramos cuando suponemos un corto entre colector y emisor.

La corriente es:

Análisis de recta de carga

Recta de carga para polarización fija.

Para trazar la recta de carga una los puntos VCC/RC sobre el eje de corriente (IC) y VCC en el eje de voltaje (VCE),

Variación del punto QVariación debida al incremento a la corriente de base.

Variación de la recta debido a la disminución de la resistencia de colector IC.

Variación de la recta debido a la disminución del voltaje de colector VCC.

EjemploEncontrar VCC, RB e RC.

Circuito de polarización estabilizado en emisor

La mejora de la estabilización se logra agregando una resistencia en el emisor.

EB

BECCB RR

VVI

1

La resistencia de entrada es Ri dada por

Ri = RB + ( + 1) RE

IC

IB

VBE

VCE

+

+

IC

VCE

+

IE

En la malla de colector-emisor tenemos:

VCE = VCC – IC(RC + RE)

La corriente de saturación es

IC = VCC/(RC + RE)

EjemploEncontrar:

IB, IC, VCE, VC, VE, VBC, VB

Análisis de estabilidad

Beta Ib(A) Ic(mA) Vce(V)

50 47.1 2.4 6.8

100 47.1 4.7 1.6

Cambio 0% 100% -76%

Beta Ib(A) Ic(mA) Vce(V)

50 40.1 2.0 14.0

100 36.3 3.6 9.1

Cambio -9% 81% -35%

Polarización fija

Polarización de emisor

Saturación

EC

CCCsat RR

VI

La corriente de saturación la encontramos cuando suponemos un corto entre colector y emisor.

La corriente es:

Análisis de recta de carga

Recta de carga para polarización de emisor.

Para trazar la recta de carga una los puntos VCC/(RC + RE) sobre el eje de corriente (IC) y VCC en el eje de voltaje (VCE),

Circuito de polarización por divisor de voltaje

La polarización se logra utilizando un divisor de voltaje en el circuito de base.

IC

IB

VBE

VCE

+

+

Análisis exacto

El análisis del circuito de entrada se realiza sustituyendo el circuito de entrada por su equivalente de Thevenin.

21 RRRth

21

2

RR

VRV CC

th

Eth

BEthB RR

VVI

1

VCE = VCC – IC(RC + RE)

EjemploEncontrar VCE e IC en la siguiente red.

Análisis aproximado

Si el valor de RE > 10R2, se puede suponer IB = 0, además

21

2

RRVR

V CCB

BEBE VVV E

EE R

VI

EC II ECCCCCE RRIVV

La fórmula de corriente de saturación y la recta de carga es igual que para la polarización por emisor.

EjemploEncontrar VCE e IC en la siguiente red usando las fórmulas aproximadas.

EjercicioEncuentre el punto Q con las fórmulas exactas y aproximadas y compare resultados.

Polarización por retroalimentación de voltaje

ICIB

VBE

VCE

+

+

IC’

IE

Si suponemos que IC’ = IC = IB, llegamos a

ECB

BECCB RRR

VVI

En general'

'RR

VI

BB

R’ = 0 polarización fija

R’ = RE polarización en emisor

R’ = (RC + RE) retroalimentación de colector

VCE es la misma que para emisor y divisor.

EjemploEncontrar el punto Q. Repita para = 135

IC = 1.07 mA

VCE = 3.69 V

IC = 1.2 mA

VCE = 2.92 V

EjemploEncontrar IB y VC.

IB = 35.5 A

VC = 9.22 V

Otras configuracionesEncontrar IC, VCE, VB, VC, VE y VBC.

IC = 1.86 mA

VCE = 11.26 V

VB = 0.7 V

VC = 11.26 V

VE = 0 V

VBC = -10.56 V

Encontrar VB y VC

VC = -4.48 V

VB = -8.3 V

Seguidor emisor. Encontrar VCE y IE

IE = 4.16 mA

VCE = 11.68 V

Base común. Encontrar VCE y IB

IB = 45.8 A

VC = 3.4 V

Encontrar VC y VB

VB = -11.59 V

VC = 8.53 V

Diseño

En el proceso de diseño se trata de determinar los valores de las componentes necesarias para lograr un cierto punto de operación, es decir, un conjunto de valores de voltajes y corrientes.

EjemploDeterminar VCC, RB y RC para la siguiente red. Encontrar los valores estándar.

VCC = 20 V RB = 482.5 kOhms RC = 2.5 kOhms

EjemploSi IC = 2 mA, VCE = 10 V determinar R1 y RC para la siguiente red. Encontrar los valores estándar.

R1 = 86.52 kOhms RC = 2.8 kOhms

EjemploSi ICQ = ½ ICsat, ICsat = 8 mA, determinar RE, RB y RC para la siguiente red. Encontrar los valores estándar.

RE = 1 kOhms RC = 2.2 kOhms RB = 639.8 kOhms

Ejemplo de diseño completoPara poder encontrar los valores de las resistencias, debemos hacer una elección de ingeniería. Como por ejemplo suponer que VE es un décimo de VCC.

RE = 2 kOhms

RC = 4 kOhms

RB = 1,3 MOhms

Ejemplo de divisorPara poder encontrar los valores de las resistencias, debemos hacer una elección de ingeniería. Como por ejemplo suponer que VE es un décimo de VCC. Suponga también que RE>=10R2 y calcule VB.

RE = 200 Ohms

RC = 1 kOhms

R1 = 10.25 kOhms

R2 = 1.6 kOhms

Conmutación

En el diseño de una red de conmutación se debe asegurar que el transistor trabaje entre corte y saturación.

El estado de corte se asegura con un voltaje de entrada igual a cero.

La saturación se logra con una corriente de base lo suficientemente grande para que IB > ICsat/.

Ejemplo

AI

RV

I

B

C

CCCsat

50

El transistor como interruptor

El transistor puede usarse como un interruptor haciéndolo trabajar entre corte y saturación.

Interruptor cerrado: transistor en saturación.

Interruptor abierto: transistor en corte.

Tiempos de encendido y apagadotd (delay time)= Es el que transcurre desde el instante en que se aplica la señal de entrada al dispositivo conmutador, hasta que la señal de salida alcanza el 10% de su valor final.

tr (rise time) = Tiempo que emplea la señal de salida para evolucionar desde el 10% hasta el 90% de su valor final.

ts (storage time) = Tiempo que transcurre desde que se quita la excitación de entrada y el instante en que la señal de salida baja al 90% de su valor inicial.

tf (fall time) = Tiempo que emplea la señal de salida para evolucionar desde el 90% hasta el 10% de su valor inicial.

tencendido = tr + td, tapagado = ts + tf

Transistores pnp

Todo lo dicho para transistores npn es válido para transistores pnp.

Las únicas diferencias es la polaridad de las fuentes y el sentido de las corrientes en las diferentes configuraciones estudiadas.

ejemploEncuentre VCE (10.16 V).

Estabilización de la polarización

La corriente de colector IC es sensible a los siguientes factores:

– Se incrementa al aumentar la temperatura

|VBE| - decrece 7.5 mV por grado centígrado

ICO – se duplica cada 10 grados centígrados

Cambio del punto Q

Factores de estabilidadSe definen los siguientes factores de estabilidad. El valor pequeño indica un circuito estable y un valor grande indica un circuito inestable.

C

BE

CBE

CO

CCO

IS

VI

VS

II

IS

S(ICO) polarización de emisor

EB

EBCO RR

RRIS

1

11

El análisis de la red da el siguiente valor para S(ICO)

Si RB/RE >> (+1) se simplifica a

1 COIS

EjemploEncontrar la estabilidad y el cambio en IC si ICO = 19.9 nA para RB/RE = a) 250, b) 10 y c) 0.01

S(ICO) polarización fija

1 COIS

Multiplicando el numerador y el denominador de la expresión de estabilidad de polarización de emisor por RE y haciendo RE = 0 se obtiene

Como puede verse la polarización fija tiene un factor de estabilidad muy pobre.

S(ICO) polarización por divisor

Eth

EthCO RR

RRIS

1

11

El análisis de la red da el siguiente valor para S(ICO)

Para mantener la estabilidad en valores adecuados es necesario mantener Rth/RE lo más pequeña posible.

S(ICO) polarización por retroalimentación

CB

CBCO RR

RRIS

1

11

El análisis de la red da el siguiente valor para S(ICO)

Para mantener la estabilidad en valores adecuados es necesario mantener RB/RC lo más pequeña posible.

Efecto de IB en la estabilidad

S(VBE)

EBBE RR

VS1

El análisis de la red da el siguiente valor para S(VBE)

Para polarización fija se simplifica a

B

BE RVS

Si (1 + ) >> RB/RE, se puede simplificar la primera expresión a

EEB

EBE RRR

RVS

11/

/

EjemploDetermine en factor de stabilidad S(VBE) y el cambio en IC desde 25ºC hasta 100ºC con ICO = -0.17 mV

a) Polarización fija RB = 240 kOhm y = 100

b) Polarización en emisor RB = 240 kOhm, RE = 1 kOhm y = 100

c) Polarización en emisor RB = 47 kOhm, RE = 4.7 kOhm y = 100