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Fundamentos de Electrónica
Transistores BJT
IES Zorrilla curso 2012-2013
Polarización en continua de un transistor BJT
Entendemos por polarización en continua de un transistor, la
disposición del mismo en un circuito formado básicamente por
resistencias que garantice unas condiciones de conducción
predefinidas. Esto se suele hacer mediante un conjunto o red de
cuatro resistencias: RC (Resistencia de colector), RE
(Resistencia de emisor), R1 y R2 (Resistencias para la
polarización de la base).
Vamos a considerar que queremos tener polarizada la unión
Base-Emisor en polarización directa con una tensión típica de
0,6 V. En estas circunstancias, el transistor conducirá dejando
pasar la corriente de colector a emisor (suponemos un
transistor NPN). Llamaremos IC a la corriente que entra en el Colector, IB la corriente
que entra en la base y IE la corriente del emisor. En un primer momento podemos
suponer que IB << IC, IE , por lo que IC ≈ IE, que es lo que llamamos saturación. En estas
condiciones, la caída de tensión entre el Colector y la Base, VCE es muy pequeña ( de ≈
0,1 V) por lo que podemos considerarla despreciable frente a VCC. Supongamos que
tenemos una alimentación VCC= 10 V. En estas condiciones la corriente que pasa por el
transistor podemos calcularla aplicando simplemente la ley de Ohm:
IC =
VCC
(RC + RE )
( 1)
Vamos a tomar RC = 900 Ω y RE = 100 Ω (la razón de estos valores está en la limitación
de la corriente de paso por el transistor y en la posible utilización de este montaje como
etapa amplificadora básica). Según estos datos, IC = 0,01 A = 10 mA. Podemos
determinar ahora la caída de tensión en RE o, lo que es lo mismo, VE.
V E = I C .R E = 1 V
( 2)
Esto significa que la tensión de la base VB debe ser 1,6 V, puesto que debe existir una
caída de tensión en polarización directa entre base y emisor VBE = 0,6 V. La misión de
las resistencias R1 y R2 es hacer justamente de divisor de tensión proporcionando en su
punto medio un voltaje de 1,6 V. Aplicando de nuevo la ley de Ohm podremos escribir:
V B = VCC
R2
(R1 + R2 )
( 3)
Como es evidente, de esta relación no podemos obtener los dos valores R1 y R2. Para
ello necesitamos alguna otra condición extra (una segunda ecuación). Para ello podemos
considerar que la corriente que debe circular por la base es mucho menor que la general
IC, por lo que el divisor de tensión formado por R1 y R2 no necesita una corriente
elevada. Para limitar el consumo de energía y garantizar una alimentación correcta de la
tensión de la base, podemos tomar R1 + R2 = 10 (RC + RE). De este modo, la corriente
que pasa por el divisor de tensión es la décima parte de la que pasa por el transistor.
Ahora sí podemos resolver los valores de R1 y R2 añadiendo la condición dada.
R1 + R2 =10 kΩ
R2 = (R1 + R2 )
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VB
=1,6 kΩ
VCC
R1 = 8,4 kΩ
( 4)
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De este modo tenemos polarizado el transistor de modo que conduce en saturación o, lo
que es lo mismo, como si fuera un interruptor de estado sólido en posición ON o
cerrado.
En este montaje resulta claro que si modificamos la
tensión de la base cambiando los valores de R1 y R2,
podremos influir en la conducción del transistor. Una
pequeña disminución de VB puede hacer que el transistor
ya no esté en la zona de saturación, de modo que VCE
empiece a tomar valores más elevados. El transistor entra
en la denominada ZONA ACTIVA, que es donde debe
situarse la polarización para aplicaciones de
amplificación de señales. Un modo de modificar
manualmente este punto de operación es sustituir la
resistencia fija R2 por una resistencia variable directa o
por un potenciómetro.
Recta de carga y punto de operación
El comportamiento de un transistor suele venir caracterizado por las curvas características. Como disponemos de 6 parámetros variables (3 tensiones y 3 intensidades),
existe un buen número de posibles gráficas tomando dos de ellas como variables y una
tercera como parámetro para representar una familia de curvas. Una de las más
habituales es la que representa la intensidad de colector (IC) en función de la tensión
colector-emisor (VCE), tomando como parámetro la intensidad de la base (IB). La
siguiente figura se ha tomado de las Hojas de características del transistor BC549 de
Fairchild Semiconductor Corporation. En ella podemos ver el típico comportamiento
de un transistor según el cuál, para una corriente de base fija baja, la corriente de
colector crece inicialmente con el VCE para estabilizarse de modo casi absoluto,
superada una pequeña tensión inicial. Al aumentar la corriente de la base se va
perdiendo la estabilidad de modo gradual.
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Sobre la gráfica hemos superpuesto la denominada recta de carga que viene determinada
por los valores de RC, RE y VCC. Para una situación cualquiera, con valores IC y VCE
dados, debe cumplirse:
VCC = VCE + I C .( RC + R E )
( 5)
Si reescribimos la ecuación tomando como variable VCE y como función IC, tenemos la
ecuación de la llamada Recta de carga:
IC = −
1
VCE + I C máx .
( RC + R E )
( 6)
Para VCE = 0 será la situación de saturación, cumpliéndose que IC = IC máx = VCC /( RC+
RE). Igualmente, para la región de corte (no conducción), IC =0 y VCE = VCC.
Según la gráfica, en nuestro caso tendremos VCC = 0 y IC = 50 mA, con lo que RC+ RE
= VCC /IC =240 Ω.
Como punto de operación del transistor, o estado de polarización en continua, se ha
escogido un punto en la gráfica que corresponde aproximadamente a un VCE = 5,6 V, a
lo que correspondería una corriente IC = 26,7 mA. Podemos plantearnos ahora cuáles
deben ser los valores de R1 y R2 en estas circunstancias. Simplificando, consideraremos
que RE = 100 Ω, con lo que la caída de potencia en esta resistencia será 2,67 V, que es
la tensión VE. Si sumamos la caída de tensión en polarización directa para la unión
base-emisor, tendremos que VB = 3,27 V. Si aplicamos la relación (3) con las mismas
consideraciones anteriores, tenemos que R2 = 2716 Ω y R1 = 7284 Ω.
Etapa amplificadora básica con un BJT
La polarización de un transistor BJT mediante una red de cuatro resistencias tiene como
principal aplicación la construcción de un amplificador básico. Para ello se dispone de
dos condensadores C1 y C2 llamados de acoplo y desacoplo de la tensión en alterna.
Utilizamos una fuente Ve de tensión alterna de entrada la cual queremos transformar en
una tensión alterna Vs de salida. El condensador C1 tiene como finalidad superponer la
tensión alterna Ve sobre la tensión de continua VB con la que está polarizada la base de
nuestro transistor. El condensador C2 realiza la
función inversa: recupera la tensión alterna Vs,
eliminando la tensión de continua VC que
posee el colector. En estas condiciones se
puede demostrar que la ganancia en tensión o
~Vs
factor de amplificación de la tensión AV
resulta ser aproximadamente la relación (7).
AV = −
R3
R4
( 7)
Pudiéramos pensar que si hiciéramos R4 = 0 obtendríamos una amplificación
extraordinaria, pero esto presenta varios inconvenientes. El primero es que la relación
(7) deja de ser válida, y el segundo es que el amplificar se vuelve sumamente inestable
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frente a la variación térmica. La resistencia R4 proporciona estabilidad a la polarización
en continua del transistor. Por otro lado observamos el signo negativo en la ganancia, lo
que significa que la corriente alterna de salida está desfasada 180º respecto a la entrada,
alcanzando un mínimo cuando la entrada es máxima y viceversa. Finalmente, el
condensador C3 en paralelo con R4 tiene como finalidad el mantenimiento de la
ganancia en alterna del dispositivo en el semiciclo positivo y en el negativo, impidiendo
la distorsión de la onda amplificada. Su valor debe ser tal que para el rango de
frecuencias de trabajo, su impedancia esté un orden por debajo del de R4.
Podemos simular el funcionamiento de un transistor BJT como etapa amplificadora
mediante programas de simulación como el antiguo WorkBench u otros.
J.L.Orantes
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