El Transistor - Profesor Jorge CAMBLONG

Provincia de Buenos Aires
Dirección General de Cultura y Educación
Dirección de Educación Polimodal y T.T.P.
ESCUELA DE EDUCACIÓN TÉCNICA N1 DE VICENTE LÓPEZ
“EDUARDO ADER”
Cerrito 3966 Villa Adelina (1607) Tel 4735-0174
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El Transistor
Para comprender este tema es necesario que el alumno tenga los conocimientos previos de
electrónica general y del funcionamiento del diodo.
Dando por sabidos estos temas damos comienzo al capitulo inicial del transistor.
Recordemos que el diodo tenía básicamente dos formas de conexionado, la que
denominábamos polarizacion en directa, y por el otro lado la polarizacion en inversa, siendo
estos los circuitos correspondientes:
Recordemos también la curva característica del diodo para estas polarizaciones:
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El cuadrante de la Id positivas y la Vd positivas corresponde a la Polarizacion Directa, mientras
que el cuadrante de las Id negativas y las Vd negativas corresponde a la Polarizacion en
Inversa.
Definamos ahora lo que denominaremos de aquí en adelante como Punto de Operación
Estático POE:
Tomemos el primero de los circuitos anteriormente descripto, vale decir el de Polarizacion
Directa, calculemos para este caso cuanto vale Id:
Id = V – Vd. Sabemos que Vd es aproximadamente 0,6 a 0,7 V entonces
R
Id = 12V – 0,6V consecuentemente
1000 



Id = 11,4 mA
El punto llevado al grafico de la curva del diodo nos dará:
Como vemos aparecerá un punto de trabajo que corresponderá al punto donde el diodo se
encuentre operando, en este caso al que corresponde a los valores Id = 11,4 mA y Vd = 0,6 V,
y si unimos el origen 0,0 con el POE, obtenemos la denominada Resistencia Estática que para
este caso será:
R.Est = Vd / Id = 0,6 V / 11,4 mA = 53 

Sin embargo no siempre el caso sea tan sencillo como el circuito analizado, pudiéndose dar el
caso en el que el diodo se encuentre trabajando bajo un estado dinámico, vale decir con una
tensión variable superpuesta a una tensión constante, tal seria el caso de un circuito como el
siguiente:
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En este caso corresponderá un estudio aplicando el principio de superposición en el cual se
realiza el análisis de a una fuente por vez, cortocircuitando la otra.
Así entonces el estudio estático resultara igual al realizado anteriormente.
A continuación se cortocircuita la fuente de tensión constante y se realiza el estudio con la
fuente de tensión variable, llamando a este estudio el “estudio dinámico del circuito”.
Para realizar este estudio debemos recordar que la corriente del diodo esta dada en todo
momento por:
Vd
m.Vt
Id = Is e
Donde Is es la corriente de saturación inversa, Vd la tensión de operación, m una constante
empírica comprendida entre 1 y 2 típicamente 1,4 para el silicio, y Vt una constante que
depende de la temperatura valiendo entre 25 y 26 mV a los 25 grados centígrados.
Realizando la derivada de esta corriente Id, respecto de Vd, para el punto Q, ya que lo que
estudiamos son las variaciones de I respecto a V en torno al punto Q, obtenemos la
denominada conductancia dinámica ( siendo esta la inversa de la resistencia dinámica)
gu =
Id
m.Vt
consecuentemente la Resistencia dinámica ru será:
ru = m.Vt
Id
Para nuestro circuito ru = 1,4 X 25 mV = 3 
11,4 mA
Tomando como base estos conocimientos comencemos ahora si con el estudio del transistor,
para ello veamos inicialmente como es el tipo de juntura que lo componen, vemos así que
existen dos posibilidades:
a./ Juntura PNP
b./ Juntura NPN
Siempre el orden será el de Emisor, Base y Colector, consecuentemente para el caso a./ la
base será material tipo N mientras que para el b./ la base será del tipo P.
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Los símbolos utilizados son:
El estudio microelectronico del funcionamiento se deja para otra materia, preocupándonos en
esta por el estudio estático, dinámico y amplificación a nivel circuital.
Comencemos este estudio analizando el caso donde tenemos una Caja Negra, donde no
sabemos su contenido, obteniendo así el siguiente grafico:
Donde Vi corresponderá a la Tensión de entrada (i de Input) y Vo la tensión de salida (o de
Output)
Con estos simples datos podemos definir algo tan importante como los es el denominado
rendimiento del sistema, y lo hacemos de la siguiente manera:
=
Vo
Vi
Pudiéndose dar solo 3 casos bien definidos y un cuarto caso especial.
 es igual a1, en dicho caso la salida es igual a la entrada
b.-  es menor a1, en dicho caso la salida es menor a la entrada
c.-  es mayor a1, en dicho caso la salida es mayor a la entrada
d.-  es igual a 0, en dicho caso la salida es 0.
a.-
En general el estudio de los circuitos transistorizados a nivel analógico, trata el caso c.- en cuyo
caso se dice que el sistema amplifica.
Pues bien, para llevar nuestro transistor a esta caja negra, deberemos compartir uno de sus
terminales entre la entrada y la salida, dado que el transistor tiene solo 3 terminales.
Nacen así 3 configuraciones posibles, la de Base Común, la de Emisor Común y la de Colector
Común, con características funcionales distintas una a la otra.
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Análisis del Transistor en configuración Base Común.
Deducción de hFE
Para este caso analicemos el circuito que a continuación se describe:
Se observa en la figura un Transistor PNP donde la base del mismo es común tanto a la
entrada (lado izquierdo), como a la salida (lado derecho).
Adicionalmente se observa que la Juntura Base – Emisor esta polarizada en directa (con un
positivo en el emisor ya que es material tipo P), mientras que la juntura Base – Colector se
encuentra polarizada en inversa (con un negativo en colector que es del tipo P). En estas
condiciones se dice que el Transistor esta operando en la zona activa del mismo.
Existen otras dos condiciones del trabajo del transistor que se denominan Corte y Saturación,
ello se logra polarizando ambas en inversa o ambas en directa respectivamente.
Del análisis microelectronico (que como dijimos no forma parte de este estudio) se obtiene la
siguiente ecuación que vincula la corriente de Emisor (entrada) y la corriente de Colector
(Salida).
Ic =  Ie + Icbo
(1)
Donde  es una constante característica del Transistor cuyo valor esta comprendido entre 0,95
y 0,999 y Icbo es la corriente de portadores minoritarios de origen térmico cuyo valor es
despreciable.
Consecuente si reescribimos la ecuación anterior podemos decir que:
Ic =  Ie lo que implica que = Ic
Ie
conociéndose a como la ganancia
estática de corriente de colector
respecto a la corriente de emisor.
Por orto lado, aplicando la ley de Kirchoff y tomando al transistor como un nodo, obtenemos
que:
Ie = Ic + Ib
(2)
Sustituyendo (2) en (1) obtenemos que:
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Ic =  Ic +  Ib + Icbo
Si despejamos Ic de esta ecuación, obtenemos:
Ic –  Ic =  Ib + Icbo
Ic (1 –  ) =  Ib + Icbo
Ic =

Ib
(1 –  )
+
1 Icbo
(1 –  )
Si llamamos  a
 . y despreciamos al termino multiplicado por Icbo por ser muy chico.
(1 –  )
Queda finalmente
Ic =  Ib osea que  = Ic
Ib
Siendo  la denominada Ganancia de
corriente estática de colector respecto
de la corriente de base, conocida como hFE
con valores que pueden llegar a ser muy altos.
La ecuación de Ic =  Ib es común para cualquiera de las configuraciones del transistor, es
decir, BC, EC o CC.
Veamos para un transistor PNP cual seria la polarizacion en cada configuración para mantener
el tr dentro de la zona activa:
La configuración que vemos corresponde a un
Emisor Común EC, PNP, polarizado para un funcionamiento en zona activa.
Esta última corresponde a un transistor PNP en
configuración Colector Común CC en zona activa.
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Se deja al lector para que dibuje los circuitos en zonas activas para un transistor NPN.
Estudio de hFE en función de Ic
Los valores de hFE varían según la serie de transistores, también varían dentro de la misma
serie y por ultimo también varía en un mismo transistor cuando varía Ic, esto implicaría que
para un circuito determinado podríamos tener distintas ganancias según los valores que Ic
toma.
Para minimizar estos efectos hacemos un estudio de la variación de hfe en función de Ic y
notamos que:
Se denotan en el grafico 3 zonas bien distinguidas, la zona I de crecimiento, la zona II donde
las variaciones son mínimas y por ultimo la zona III donde aparece un decrecimiento claro.
Consecuentemente se aconseja el uso del transistor en la zona II.
Análisis del transistor en configuración EC
Curvas de Ic
El estudio del transistor en configuración Emisor Común es uno de los más importantes a tener
en cuenta dada las características de amplificación que este tiene y lo universal de su uso.
En principio veamos la configuración del mismo con un transistor NPN
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Observamos en la figura una juntura Base Emisor con polarizacion directa con una corriente Ib
entrante a la base.
Por otro lado observamos una corriente Ic que es aproximadamente igual a Ie que circula en el
sentido que manda Vcc formándose una malla entre Vcc, Vrc y Vce.
Por un lado sabemos que:
Ic =  Ib y reemplazando  por hFE, tenemos que Ic = hFE Ib, lo que implica que
tendremos un valor de Ic por cada Ib planteado.
Adicionalmente, en la siguiente grafica veremos la relación existente entre Ic y Vce
La representación grafica de lo planteado queda de la siguiente manera:
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El grafico, como se anticipo muestra que a cada Ib le corresponde una Ic, esta Ic crece
abruptamente en su primer tramo con poca variación de Vce, esto hasta llegar a Vce Sat
(Tensión de Saturación), a partir de allí, entramos en una zona donde Ic se mantiene constante
y que denominamos zona activa del transistor. Más allá de Vceo la corriente crece
abruptamente nuevamente y lleva al transistor a su destrucción.
En consecuencia el estudio lo basaremos en la zona donde el transistor se encuentra en la
zona activa entre Vce Sat y Vceo.
En esta zona observamos que a variaciones altas de Vce le corresponden pequeñas (casi
despreciables) variaciones de Ic y ello implica que la Resistencia de salida tiene a infinito, lo
cual denota una fuente casi ideal de corriente.
Consecuentemente simplificaremos las curvas reales de la figura anterior, en las siguientes
curvas ideales que ayudan mucho a la comprensión practica de los ejercicios.
En esta simplificación donde Ic queda constante, también estamos idealizando que hFE no
depende de Ic.
Determinación del Punto de Operación Estático POE
De la misma manera que determinamos en el diodo cual es el punto de operación de este, a
partir del cual calculábamos la corriente de operación Id y la ubicábamos en el grafico
correspondiente, calculamos a continuación el punto de operación estático del transistor.
Recordemos nuestro circuito a analizar:
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Supongamos que hFe tiene un valor de 100.
Así entonces:
Ic = hFE Ib corresponde que si
Ib = 10 uA entonces Ic = 1 mA
Ib = 30 uA entonces Ic = 3 mA y así sucesiv.
Supongamos en este circuito los siguientes valores:
Vbb = 3,7 V ; Rb = 100 K; Vcc = 12 V ; Rc = 2 K
En la malla de salida, la ecuación es:
Vcc – Vce – Ic Rc = 0
Despejando Ic
Ic = Vcc – Vce
Rc
Si Vce = Vcc; Ic = 0
Si Vce = 0 ; Ic = Vcc = 12 V = 6 mA
Rc 2000 
En la malla de entrada, la ecuación es:
Vbb – Ib Rb – Vbe = 0
Ib = Vbb – Vbe = 3,7 V – 0,7 V = 3 uA
Rb
100 K
Si Ib = 3 uA, Ic = hFE Ib = 3 mA
Con estos valores encontramos el punto Q en las curvas del transistor.
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La recta que cruza a la corriente Ic = 3mA es denominada RCE (Recta de Carga Estática)
Del grafico podemos ver que Vceq = 6 V, o analíticamente lo podemos calcular como:
Vcc – Vceq – Icq Rc = 0, consecuentemente Vceq = Vcc – Icq.Rc = 6 V
Mientras esto sucede en la malla de salida, veamos que sucede en la malla de entrada.
La ecuación de dicha malla es:
Vbb – Ib Rb – Vbe = 0
Por lo tanto como ya habíamos visto, Ib =Vbb – Vbe
Rb
Esto implicaría que, si Vbe = 0; Ib = Vbb/Rb
Si Vbe = Vbb ; Ib =0
Si Vbe = 0,7 V; Ib =30 uA
Volcando estos datos en un grafico de Juntura Base – Emisor, nos queda:
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Y como habíamos deducido oportunamente, Ri = mVt = 1,4 X 0,025 V = 1166 
Ibq
0,000030 A
Hasta aquí es el estudio del transistor solo con la polarizacion del mismo; veremos en el
próximo apartado que es lo que pasa al inyectarle señal variable en la entrada.
Determinación del Estado de Operación Dinámico
Para realizar este estudio inyectaremos señal en la entrada y es circuito será:
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Obviamente el estudio será similar al realizado en el estudio dinámico del Diodo, donde
aplicábamos el principio de superposición cortocircuitando una fuente y luego la otra.
Al cortocircuitar la fuente variable vb, para este caso nada cambia con el caso anterior.
Respetando los valores del ejemplo, llegamos a idéntica condición anterior donde:
Ibq = 30 uA
Icq = 3 mA
Vceq = 6 V
Y la grafica de la RCE será la oportunamente expuesta.
Hagamos ahora si el estudio dinámico y cortocircuitemos Vbb en la entrada. El circuito
quedara:
Para ser mucho mas concreto en el ejemplo pongámosle un valor a la fuente vb, la que en la
práctica podrá ser un micrófono, la etapa anterior de un preamplificador, etc.
vb = 2 v. sen wt
En consecuencia de la malla de entrada, se tiene que:
ib =
vb
; sin embargo, debemos recordar que el orden de magnitud de Ri es de 1 K,
Rb +Ri mientras que Rb es 100 veces mayor, despreciamos así Ri
ib = vb = 2 v sen wt = 20 uA sen wt
Rb
100 k
Siendo esta una parte de la corriente que circula en la malla de entrada, debiéndose recordar
que la corriente total será:
iB = Ibq +ib = 30uA + 20 uA sen wt
En cuanto a la recta de carga dinámica a la salida, será idéntica a la recta de carga estática,
dado que existe una única resistencia Rc y no varía el circuito entre la parte constante y la
variable, cosa que si ocurrirá y se analizara oportunamente en circuitos que posteriormente se
analizaran.
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Al inyectar la señal iB en la entrada del transistor, esta por su forma de onda generara dos
puntos un Máximo y uno mínimo en la salida del transistor.
Para comprender mejor lo dicho, veamos como es la forma de onda que estamos ingresando
(iB)
La iB, esta compuesta por dos términos bien claros, uno 30 uA, que corresponden a una fuente
de tensión constante, y otro 20 uA sen wt que son producto de la fuente de tensión variable. Su
grafica es:
Como se observa, la componente de 3 uA genera el eje de la onda senoidal que tiene una
amplitud de 20 uA hacia arriba y 20 uA hacia abajo. Esto generara obviamente una Ic que será
variable por sobre Icq que recordemos era de 3 mA llegando así a 5 mA y a 1 mA.
Si incorporamos esta señal en el grafico de la Recta de Carga dinámica, nos queda:
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Vemos en el grafico a la derecha la variación que ingresa al transistor provocada por la fuente
variable vb que provoca una corriente variable ib montada en Ibq. Esta corriente total IB,
provoca en el transistor una corriente IC total que sera una corriente variable ic montada sobre
Icq, esta corriente Ic total provocara una variación de la VCE que va desde los 2 V a los 10 V,
con eje en 6 V.
Como se observa, si el punto Q se traslada hacia la izquierda comenzaría a distorsionar el
transistor por efecto de entrar en la zona de saturación (zona negra de la izquierda del grafico).
Hasta aquí tenemos una introducción al transistor y su función de amplificación, a partir de aquí
unos innumerables temas asociados al transistor quedan como interrogantes para comenzar a
dilucidar en años posteriores.
Autor del Apunte: Prof.Lic. Jorge Camblong
Bibliografía: Electronica Analogica del Ing. Jose Maria Virgili
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