GUÍA 5: TRANSISTORES 1. CLASIFICACIÓN DE TRANSISTORES

Liceo Diego Portales
3º Electrónica
Circuitos Electrónicos
Rogelio Ortega B
GUÍA 5: TRANSISTORES
1. CLASIFICACIÓN DE TRANSISTORES
PNP
Bipolar
(BJT)
NPN
TRANSISTOR
Canal P (JFET – P)
Unión
Canal N (JFET – N)
Efecto de campo
(FET)
Canal P (MOSFET – P)
Metal – Oxide Semiconductor
Canal N (MOSFET – N)
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2. TRANSISTOR DE UNIÓN BIPOLAR (BJT)
Un transistor bipolar está formado por dos uniones PN en contraposición. Físicamente, el
transistor está constituido por tres regiones semiconductoras unidas a los pines o terminales
denominados emisor (E), base (B) y colector (C).
Existen 2 tipos de transistores bipolares:
-
Transistor PNP
Transistor NPN
Las simbologías son,
PNP
NPN
C
C
B
B
E
E
a) Condiciones de funcionamiento
Las condiciones normales de funcionamiento de un transistor NPN se dan cuando el diodo base emisor se encuentra polarizado en directa y el diodo base - colector se encuentra polarizado en
inversa. En esta situación gran parte de los electrones que fluyen del emisor a la base consiguen
atravesar ésta, debido a su poco grosor y débil dopado, y llegar al colector.
b) El transistor posee tres zonas de funcionamiento
-
Zona de saturación: El diodo colector está polarizado directamente y es transistor se
comporta como una pequeña resistencia. En esta zona un aumento adicionar de la
corriente de base no provoca un aumento de la corriente de colector, ésta depende
exclusivamente de la tensión entre emisor y colector. El transistor se asemeja en su
circuito emisor - colector a un interruptor cerrado.
-
Zona activa: En este intervalo el transistor se comporta como una fuente de corriente,
determinada por la corriente de base. A pequeños aumentos de la corriente de base
corresponden grandes aumentos de la corriente de colector, de forma casi independiente
de la tensión entre emisor y colector. Para trabajar en esta zona el diodo base - emisor ha
de estar polarizado en directa, mientras que el diodo base - colector, ha de estar polarizado
en inversa.
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-
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Zona de corte: El hecho de hacer nula la corriente de base, es equivalente a mantener el
circuito base emisor abierto, en estas circunstancias la corriente de colector es
prácticamente nula y por ello se puede considerar el transistor en su circuito colector emisor como un interruptor abierto.
Los transistores se usan en su zona activa cuando se emplean como amplificador de señales. Las
zonas de corte y saturación son útiles en circuitos digitales, vale decir, trabajan como interruptor
abierto o cerrado.
3. TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO (FET)
El transistor de efecto de campo (FET: Field Effect Transistor) es un semiconductor de tres
terminales llamados Drenador (D), Surtidor o fuente (S) y Compuerta (G), que se emplea para
una amplia variedad de aplicaciones que coinciden, en gran parte, con aquellas correspondientes
al transistor BJT.
Existen dos tipos de transistores de efecto de campo:
-
El transistor de efecto de campo de unión (JFET).
El transistor de efecto de campo de metal óxido semiconductor (MOSFET).
Las simbologías son,
JFET
CANAL N
MOSFET
CANAL P
D
G
CANAL N
D
G
S
CANAL P
D
G
S
D
G
S
S
a) Diferencias entre el BJT y FET
La diferencia principal entre estas dos clases de transistores es:
-
El transistor de unión bipolar (BJT) es un dispositivo operado por corriente, y requiere que
haya cambios de corriente en la base (IB) para producir cambios en la corriente de colector
(IC).
-
El transistor de efecto de campo (FET) es controlado por tensión y los cambios en tensión
de la compuerta (VGS) permiten cambios en la corriente de drenador (ID).
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Otras diferencias son las siguientes:
Así como hay transistores bipolares NPN y PNP, existen transistores de efecto de campo de canal
N y canal P. Sin embargo, es importante tener en cuenta que el transistor BJT es un dispositivo
bipolar (el prefijo bi revela que el nivel de conducción es una función de dos portadores de carga,
electrones y huecos). El FET es un dispositivo unipolar que depende únicamente ya sea de la
conducción por electrones (canal N) o por los huecos (canal P). El término "Efecto de campo" en
el nombre elegido amerita una explicación. Todos estamos familiarizados con la habilidad de un
imán permanente de atraer limaduras de metal sin necesidad de un contacto físico directo. El
campo magnético‚ de un imán permanente actúa sobre las limaduras y las atrae hacia el imán a
través de un esfuerzo por parte de las líneas de flujo magnético, para mantenerlas a tan corta
distancia como sea posible. Para el FET se establece un campo eléctrico por medio de las cargas
presentes que controlaran la trayectoria de conducción del circuito de salida, sin necesidad de un
contacto directo entre la cantidad que controla y la que es controlada.
En general, los FET son más estables con relación a la temperatura que los BJT, y los FET son
normalmente más pequeños en construcción que los BJT, haciéndolos particularmente útiles en
circuitos integrados (IC). Sin embargo, las características de construcción de algunos FET pueden
hacerlos más sensibles al manejo que los BJT.
Una de las características más importantes del FET es su alta impedancia de entrada. En un nivel
de 1 hasta varios cientos de mega ohms (MΩ), este dispositivo excederá con mucho los niveles
típicos de resistencia de entrada de las configuraciones con transistores BJT, una característica
muy importante en el diseño de sistemas amplificadores lineales de AC. Por otro lado, el
transistor BJT tiene una sensibilidad mucho mayor a los cambios en la señal aplicada. En otras
palabras, la variación en la corriente de salida es por lo general mucho mayor para los BJT que
para los FET, con el mismo cambio en el voltaje. Por esta razón, las ganancias típicas de voltaje
de AC para amplificadores BJT son mucho mayores que para FET. En general los FET son más
estables con relación a la temperatura que los BJT, y los FET son normalmente más pequeños en
construcción que los BJT, haciéndolos particularmente útiles en circuitos integrados (IC). Sin
embargo, las características de construcción de algunos FET pueden hacerlos más sensibles al
manejo que los BJT.
4. ENCAPSULADOS MÁS COMUNES DE TRANSISTORES
TO 92
TO 220
TO 3
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ANEXO: DESARROLLO DE EJERCICIOS CON TRANSISTOR BIPOLAR NPN
1. ¿Calcular los parámetros eléctricos existentes en el circuito?
1k
50k
12 V
2N2222
5V
Aplicando ley de Kirchhoff de tensión tenemos:
a) 12V
I C 1k
b) 5V
I B 50k
VCE
0,7V
IB
86 A
También se sabe que la ganancia de corriente β es aproximadamente 100, por lo tanto:
IC
I C 100 86 A 8,6mA
c)
IB
Reemplazando IC en ecuación a) se tiene:
12V 8,6mA 1k
VCE
VCE 3,4V
A continuación se presenta el circuito con las respectivas corrientes de base y colector, así como
también el voltaje colector emisor.
-
9.855m
+
A
1k
DC 1e-009
+
0.087m
A
+
2.145
-
50k
DC 1e-009
5V
2N2222
V
DC 10M
12 V
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2. ¿Calcular la resistencia de base para que el transistor trabaje en saturación (ON)?
En saturación el VCE = 0V
Aplicando ley de Kirchhoff de tensión tenemos:
a) 12V
I C 1k
b) 5V
I B RB
IC
IB
c)
IB
0V
I C 12mA
0,7V
12mA
120 A
100
Reemplazando IB en ecuación b) se tiene:
5V 120 A RB 0,7V
RB 35k
A continuación se presenta el circuito con las respectivas corrientes de base y colector, así como
también el voltaje colector emisor.
-
0.011
+
A
1k
DC 1e-009
A
+
0.123m
+
0.695
-
35k
V
DC 10M
12 V
2N2222
DC 1e-009
5V
3. ¿Calcular la resistencia de base para que el transistor trabaje en corte (OFF)?
En corte el VCE = 12V
Aplicando ley de Kirchhoff de tensión tenemos:
a) 12V
I C 1k
12V
b) 5V
I B RB
0,7V
0A
100
c)
IC
IB
IB
I C 0A
0A
Reemplazando IB en ecuación b) se tiene:
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5V
0 A RB
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0,7V
RB
Esto quiere decir que RB es muy grande, tal como se puede ver en el siguiente circuito
esquemático.
-
0.000
+
A
1k
DC 1e-009
+
0.888u
A
+
11.998
-
100M
V
DC 10M
12 V
2N2222
DC 1e-009
5V
4. ¿Calcular los parámetros eléctricos existentes en el circuito con polarización por divisor de
voltaje?
12V
10k
3.3k
2N2222
2.2k
1.0k
Aplicando ley de Kirchhoff de tensión tenemos:
a) 12V
I C 3,3k
b) 12V
I 1 10k
VCE
( I1
I C 1k
I B ) 2,2k
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c) ( I 1
I B ) 2,2k
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0,7V
I C 1k
IC
I C 100 I B
IB
Reemplazando IC de ecuación d) en ecuación c) tenemos:
d)
e) ( I 1
I B ) 2,2k
0,7V 100 I B 1k
Con ecuación b) y ecuación e) nos da el siguiente sistema de ecuaciones:
12,2k I 1
2,2k I B
12
2,2k I 1 102,2k I B
0,7
Resolviendo el sistema tenemos que I 1
Por lo tanto I C
986 A e I B
14,4 A
100 14,4 A 1,44mA
Reemplazando en ecuación a) tenemos:
12V
1,44mA 3,3k
VCE
1,44mA 1k
VCE
5,8V
A continuación se indican los resultados según programa de simulación multisim 9.
12V
10k
3.3k
+
+
DC 1e-009
0.985m
1.503m
A
A
DC 1e-009
-
-
+
9.770u
A
+
5.528
-
DC 1e-009
2.2k
2N2222
1.0k
V
DC 10M
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En adelante se presenta el circuito de un amplificador de señal alterna senoidal
12V
Ext T rig
+
_
B
A
+
10k
_
+
_
3.3k
10uF-POL
10uF-POL
2N2222
2.2k
1.0k
10uF-POL
El voltaje pico y frecuencia del generador es de10 mV y 1kHz
Del gráfico adjunto se
puede indicar que la
ganancia de voltaje del
amplificador es:
Av
Av
Vo
Vi
1.135mV
10mV
113,5
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CONCLUCIONES SOBRE EL FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR
Del análisis anterior (comparación de cálculos matemáticos y programa de simulación), se puede
comprobar lo siguiente:
El transistor cuando trabaja como interruptor cerrado (saturación) el voltaje colector emisor
tiende a cero voltios, mientras que cuando trabaja como interruptor abierto (corte) el voltaje
colector emisor es cercano a la tensión de alimentación. Por otra parte cuando el transistor trabaja
como amplificador el voltaje colector emisor es aproximadamente la mitad de la tensión de
alimentación.
A continuación se presentan los valores obtenidos por el programa de simulación en donde se
acredita lo anteriormente señalado:
En saturación VCE = 0,696 V
En corte VCE = 11,998 V
En amplificación VCE = 5,528V
Además podemos indicar que la ganancia de voltaje del amplificador Av = 113,5 la cual es muy
cercana a la ganancia de corriente considerada para los cálculos β = 100
También podemos señalar en este apartado que el transistor NPN puede trabajar solamente si está
bien polarizado, esto es que el diodo base emisor debe estar en polarización directa, es este caso
el terminal de base positivo y el de emisor negativo. Con lo anterior se logra que exista una
pequeña corriente en la base y con esto la existencia de corriente de colector.