Electrónica Analógica. 1º DPE. . Transistores bipolares (BJT) 1

Electrónica Analógica. 1º DPE. . Transistores bipolares (BJT)
Índice:
1.- Estructura.
2.- Zonas de funcionamiento y ecuaciones básicas.
3.- Recta de carga del transistor y punto de funcionamiento.
4.- Configuraciones básicas en amplificación de señales.
1.- Estructura.
Al igual que ocurre con los diodos, hay muchos tipos de transistores, empezamos
por los transistores bipolares porque fueron los primeros en desarrollarse, allá por 1947,
en los laboratorios Bell (EE.UU.).
Los transistores bipolares tienen una estructura de tres capas de semiconductores
extrínsecos. Las siglas BJT se corresponden con su nomenclatura inglesa (bipolar
junction transistor).
Las dos posibilidades de unir tres capas, con semiconductores tipo N y tipo P son:
PNP y NPN. La figura muestra las uniones y los símbolos:
Transistor PNP
Transistor NPN
Colector (C)
Colector (C)
C
P
Base (B)
N
Base (B)
B
C
N
P
P
B
P
N
E
E
Emisor (E)
Emisor (E)
Figura 1
Aunque la figura no está dibujada a escala, se observa que el semiconductor que
está conectado a la base, tiene menor área y volumen que los otros dos. El área y
volumen de los otros dos semiconductores se ha dibujado igual, pero de hecho el
semiconductor del emisor es ligeramente mayor que el del colector.
Debido a su estructura, en cualquier transistor bipolar se forman internamente dos
diodos enfrentados, que tienen en común el cátodo si el transistor es PNP, o el ánodo si
es NPN. Vamos a explicar su funcionamiento, en base a polarizar uno de los diodos en
directo y el otro en inverso, tal como se muestra en la figura.
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C
C
IC
IC
VCB
IB
B
VBE
VCB
N
IB
P
B
N
VBE
N
P
N
IE
IE
E
E
Transistor PNP
Transistor NPN
Figura 2. Polarización de un transistor NPN y de un transistor PNP.
Se va a explicar sobre el transistor NPN, siendo los resultados que se obtengan
extrapolables al transistor PNP, teniendo en cuenta el cambio en las polaridades y en las
intensidades que se observa en la figura.
La batería inferior (VBE) se observa que polariza correctamente la unión baseemisor del transistor, por lo tanto en ausencia de la otra batería, se comportaría como un
diodo que tuviera el ánodo en la base del transistor y el cátodo en el emisor.
La batería superior (VCB) se observa que polariza inversamente la unión colectorbase del transistor, por lo que la corriente no pasa del colector a la base.
Recordemos que en la zona N, los portadores de carga son los electrones libres, y
que el sentido de movimiento de los electrones es el contrario que el de la intensidad. La
intensidad de emisor (IE), vemos en la figura que inyecta electrones en el transistor, y
como la unión base-emisor está polarizada en directo, los electrones pueden circular por
la zona P, donde unos pocos son atraídos hacia el polo positivo de la pila VBE,
constituyendo la intensidad de base (IB), y la mayoría son atraídos, a través de la zona N
del colector, al positivo de la pila VCB, formando la intensidad de colector (IC), ya que
esta zona tiene electrones como portadores de carga, y no presenta mucha dificultad al
paso de corriente en este sentido. En el hecho de que desde el emisor, los electrones
pasen hacia la base o hacia el colector, intervienen dos factores, primero los valores de
la diferencia de potencial de las baterías, y segundo los tamaños de las zonas
implicadas. Como la zona de la base es mucho menor que la del emisor (se construye
así adrede), los huecos de la zona P no pueden absorber todos los electrones que le
llegan del emisor.
Resumiendo: si la unión base-emisor se polariza en directo, se permite la
conducción de intensidad desde la base al emisor, y además, se abre un camino para que
el transistor conduzca la intensidad del colector al emisor, siempre que haya una batería
que impulse la intensidad en este sentido. Es decir, se controla la conducción del
transistor a través de la intensidad de base.
Nótese en la figura 2, que la batería VCB no puede conducir por sí misma, sino que
depende para ello de que la batería VBE polarice correctamente el transistor.
En todo transistor hay tres intensidades y tres tensiones, que determinan su punto
de funcionamiento.
Las intensidades para el transistor NPN son: la intensidad que entra en la base (IB),
la intensidad que entra en el colector (IC), y la intensidad que sale por el emisor (IE). Los
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sentidos de las intensidades, para el transistor PNP, o bien se definen al revés, o se
toman son signo negativo.
Las tensiones son, para el transistor NPN: la tensión entre el colector y el emisor
(VCE), la tensión entre la base y el emisor (VBE) y la tensión entre el colector y la base
(VCB). Es un transistor PNP, nuevamente, a se definen al revés o tienen el signo
contrario.
C
C
IC
IB
IC
VCB
IB
VCE
B
VBC
VEC
B
VEB
VBE
IE
E
IE
E
Transistor NPN
Transistor PNP
Figura 3. Tensiones e intensidades en los transistores bipolares.
Así como en los diodos hay una curva de funcionamiento, en los transistores hay
infinitas, pues hay 6 parámetros que intervienen. Lo habitual es representar la intensidad
de colector frente a la tensión colector-emisor, en función de diferentes valores de la
intensidad de base (que recordemos controla la conducción del transistor).
zona Activa
(amplificador)
zona de saturación
(interruptor abierto)
Zona de corte
(interruptor cerrado)
Figura 4. Curvas de funcionamiento del transistor bipolar NPN.
2.- Zonas de funcionamiento y ecuaciones básicas.
Se observa de la figura que a cada valor de intensidad de base, le corresponde una
curva. Esto es así, ya que estos transistores se controlan a través de la intensidad que
circula por su base.
Se observan también tres zonas diferenciadas de funcionamiento:
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•
•
•
La zona próxima de intensidad de base cero amperios, es lo que conoce como
zona de corte, ya que el transistor no conduce.
La zona donde prácticamente se juntan las curvas, desde el arranque de las
curvas, todas con pendiente elevada, hasta que las curvas llegan a una
pendiente muy suave, casi horizontal, es lo que se conoce como zona de
saturación del transistor. Se observa en esta zona que, independientemente de
la intensidad de base, en todas las curvas la intensidad aumenta muy deprisa,
para tensiones que llegan aproximadamente a 0,2 V como máximo. Vce = 0,2 V
La zona intermedia, que sólo estaría limitada por la potencia capaz de soportar
el transistor, es la zona activa. En esta zona, se observa que, aproximadamente,
la intensidad de colector es proporcional a la intensidad de base.
Por lo tanto, podemos escribir algunas ecuaciones del transistor, aunque
dependiendo del modo de funcionamiento.
En cualquier zona de funcionamiento, y cualquier tipo de transistor, se debe
cumplir la primera ley de Kirchhoff, por lo tanto:
IB + IC = IE
[1]
Como hemos deducido, para que el transistor conduzca, ya sea en zona activa o de
saturación, el diodo que forma la unión base-emisor del transistor, debe estar polarizado
en directo, por lo tanto, la tensión base-emisor será la correspondiente a la tensión
ánodo-cátodo de un diodo. Recordemos que esta tensión, depende de la tecnología de
fabricación, y está alrededor de 0,6 V para el caso del silicio.
Vbe= 0,6 V
En la zona activa, podemos escribir relaciones aproximadas entre las intensidades:
I C = β·I B
I C = α·I E
[2]
[3]
Donde los factores α y β son ganancias de intensidad en corriente continua, son
adimensionales, y varían según el transistor, incluso para un mismo transistor pueden
sufrir variaciones en función de ciertos parámetros, como por ejemplo la temperatura.
Además, α y β están relacionados entre sí a través de la ecuación [1], por lo que se
deduce que:
α
β=
[4]
1− α
Los valores de α están típicamente comprendidos entre 0,98 y 0,99, mientras que β
suele variar entre 50 y 200.
Factor amplificación = 50 - 200
En la zona de saturación, se puede definir una β de saturación, pero normalmente
no se tiene en cuenta; a la hora de plantear las ecuaciones, normalmente se considera
que si el transistor está saturado, la intensidad es máxima y viene marcada por el
circuito.
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Zona d
e satur
ación
IC
Zona activa
Zona de corte
VCE
Figura 5. Zonas de funcionamiento del transistor
3.- Recta de carga del transistor y punto de funcionamiento.
De los seis valores de tensiones e intensidades que se pueden conocer de un
transistor, interesan conocer sólo tres, ya que, a partir de éstas, se pueden conocer,
aproximadamente las otras. Por lo tanto llamamos punto de funcionamiento o punto
Q de un transistor, a un conjunto de tres valores en los que el transistor se encuentra
funcionando, que son: intensidad de base, intensidad de colector y tensión colectoremisor.
Consideremos el circuito de la figura 6, que simplemente consta de un transistor
NPN, dos resistencias, una fuente de tensión de corriente continua de valor VCC y una
fuente de tensión variable (no necesariamente senoidal), llamada UG.
IC
RC
IB
VCE
UG
RB
VCC
VBE
Figura 6.
Este circuito se puede resolver aplicando las leyes de Kirchhoff y las ecuaciones del
transistor, ya conocidas.
Aplicamos la segunda ley de Kirchhoff, a la malla donde se encuentran el colector
y el emisor:
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VCC = R C ·I C + VCE
[5]
Observamos que esta ecuación nos relaciona la intensidad de colector con la tensión
colector-emisor del transistor, que son los dos parámetros para dibujar las curvas de
funcionamiento. Cuando encontramos esta relación en cualquier circuito con
transistores, la llamamos recta de carga del transistor. Esta recta, se puede representar
fácilmente sobre las curvas del transistor, simplemente hallando los puntos de corte con
los ejes.
Para IC = 0 VCE = VCC
Para VCE = 0 IC = VCC / RC
IC
VCC / RC
Re
cta
de
c
arg
a
Q(IB=2mA, IC=38
mA, VCE=3 V)
VCE
VCC
Figura 7. Recta de carga del transistor.
Una vez obtenida la recta de carga, es posible resolver gráficamente el circuito, si
se conoce la curva de intensidad de base. O dicho de otra forma, en función de la
intensidad de base, el transistor está en punto de funcionamiento u otro, a lo largo de la
recta de carga. En concreto, como se observa la figura, si suponemos una intensidad de
base de 2 mA, el punto Q es aproximadamente: IC = 38 mA, VCE = 3 V.
Según el uso que le queramos dar al transistor, se le hace funcionar en una zona y
un punto de funcionamiento determinados.
Cuando se desea usar el transistor como un interruptor, que deje pasar o no la
corriente, cosa frecuente en electrónica digital, y en electrónica de potencia, se hace
trabajar el transistor conmutando entre las zonas de corte y saturación. Por otro lado, en
amplificación lineal de señales se hace trabajar el transistor en la zona activa.
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4.- Configuraciones básicas en amplificación de señales.
Como se ha dicho, cuando se desea usar el transistor como amplificador, se trabaja
en la zona activa, donde también se usa por ejemplo para hacer algunos tipos de
osciladores.
Para comprender el uso del transistor como amplificador, hay que realizar un doble
análisis, el análisis en corriente continua (punto de funcionamiento) y el análisis en
corriente alterna; para el cual utilizaremos el modelo equivalente del transistor de
pequeña señal.
i1
u1
i2
h11
h12u2
h21i1
h22
u2
Figura 8. Modelo equivalente de pequeña señal
Este modelo, también llamado de parámetros híbridos, obtiene el circuito
equivalente del transistor para corriente alterna, considerando al transistor como un
cuadripolo activo, con entrada en los subíndices 1, y salida en los subíndices 2.
Se llaman parámetros híbridos porque cada uno de ello posee unas unidades
distintas. Las magnitudes u1, i1, u2 e i2 se corresponden con corrientes alternas
superpuestas al punto de polarización en corriente continua, de forma que han de tener
valores relativamente pequeños, ya que, si son demasiado grandes, llevarían el transistor
a las zonas de corte o saturación, no contempladas en este modelo. De ahí que se llame
modelo equivalente de pequeña señal.
• El parámetro h11 representa una resistencia.
• El parámetro h12 se llama ganancia de tensión inversa, ya que representa una
fuente de tensión dependiente de la tensión de salida u2.
• El parámetro h21 se llama ganancia directa de intensidad, representa una fuente
de intensidad que depende de la intensidad de entrada i1.
• El parámetro h22 representa una admitancia, es decir, el inverso de una
resistencia.
Estos parámetros híbridos, toman diferentes valores en función de muchos
parámetros, tales como la frecuencia, el punto de polarización o la temperatura. Aunque
cambiando el valor de estos parámetros pueden ser válidos a cualquier frecuencia,
normalmente se utilizan a frecuencias bajas, generalmente menores de megahercios.
Los transistores tienen tres terminales, y el modelo cuatro, así que uno de ellos es
común a la entrada y la salida. Hay tres configuraciones posibles, emisor común, base
común y colector común. Para cada una de ellas los parámetros toman unos valores e
incluso nombres distintos, pero, en cualquier caso, el modelo siempre se ajusta a la
figura 8.
En la tabla siguiente, se hace un resumen de las características de las
configuraciones.
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Configuración
Entrada
Salida
h11
h12
h21
h22
Emisor común
Base
Colector
hie
hre
hfe
hoe
Base común
Emisor
Colector
hib
hrb
hfb
hob
Colector común
Base
Emisor
hic
hrc
hfc
hoc
Como ejemplo, se muestra un modelo emisor común:
iB
iE
hie
B
C
uBE
hreuCE
hfeiB
hoe
uCE
E
Figura 9. Modelo de parámetros híbridos en emisor común.
Los valores típicos de este montaje son:
hie = 1000 Ω, hre = 2·10-4, hfe = 100, hoe = 2·10-5 Ω-1.
De donde se desprende, que, a efectos prácticos, el parámetro hre se puede eliminar
del modelo, por ser muy pequeño, y lo mismo el parámetro hoe, ya que al ser muy
pequeño, representa una resistencia en paralelo con la salida muy grande.
Cada configuración proporciona unas características determinadas al circuito
amplificador. Las más importantes son:
Ganancia de tensión es el cociente entre la tensión de salida y la de entrada.
Ganancia de intensidad es el cociente entre la intensidad de salida y la de entrada.
Impedancia de entrada es el cociente entre la tensión y la intensidad de entrada.
Impedancia de salida es la impedancia equivalente de Thevenin, desde los
terminales de salida.
La configuración de emisor común, es que proporciona mayores ganancias de
intensidad y tensión, y además simultáneamente, mientras que da unos valores de
impedancias de entrada y salida intermedios.
La configuración de base común, da una ganancia de intensidad menor que la
unidad, pero una ganancia de tensión elevada. Su impedancia de entrada es la menor de
las tres configuraciones, y su impedancia de salida la mayor.
La configuración de colector común, da una ganancia de intensidad alta, a la vez
que una ganancia de intensidad menor que la unidad. Su impedancia de entrada es la
mayor de las tres configuraciones, y su impedancia de salida la mayor.
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