TRANSISTOR BIPOLAR Conexión en paralelo. Ejemplo. Usando una fuente de alimentación de 5V conectar 4 LED rojos de alta luminosidad. Se toma en cuenta que el voltaje en todos los LED es el mismo. BJT (transistor de unión bipolar) Son dispositivos electrónicos capaces de realizar dos tareas básicas distintas: amplificar señales y servir de interruptores controlados (son capaces de dar soporte a la electrónica digital). Es un dispositivo SC de tres capas que consta de dos capas de material tipo N y una de tipo P o dos capas de tipo P y una de material tipo N. El primero se llama transistor NPN y el segundo transistor PNP. El termino Bipolar se refiere tanto al uso de huecos como de electrones para los portadores de corriente en la estructura de transistor. En el transistor cada zona tiene su nombre. La primera es el colector, la segunda la base y la tercera el emisor. La unión PN que une la región de la base y la región del emisor se llama unión baseemisor y la región de la base y la región del colector se llama unión base-colector. Las terminales se identifican por medio de las letras mayúsculas, E para Emisor, C para Colector y B para la Base. Niveles de dopaje El E esta fuertemente dopado, la B esta ligeramente dopada y el nivel de dopaje del C es intermedio entre los dos anteriores. Físicamente el colector es la zona mas grande de las tres. El transistor tiene dos uniones, una entre E y B y otra entre la B y el C por lo que es similar a dos diodos contrapuestos. Electrones del emisor ( E). Esta fuertemente dopado, su función consiste en emitir o inyectar electrones libres a la base. La base (B) ligeramente dopada deja pasar hacia el colector la mayor parte de los electrones inyectados por el emisor. El colector (C), colecta o recoge la mayoría de los electrones provenientes de la base. Electrones del colector. Están casi todos los electrones libres en el colector y son atraídos por la fuente de tensión 𝑉𝐶𝐶 . 𝑉𝐸𝐸 polariza directamente el diodo emisor obligando a los electrones libres a entrar a la base, la estrecha y apenas dopada base hace que los electrones libres lleguen a difundirse en el C Símbolos del transistor NPN y PNP Corrientes en un transistor Como el E es la fuente de electrones su corriente es mayor, casi todos los electrones del E circulan hacia el C Por tanto 𝐼𝐶 ≅ 𝐼𝐸 La corriente de base es muy pequeña del orden de 𝜇𝐴 o 𝑛𝐴 Relación de corrientes LCK aplicada a un transistor como un nodo 𝐼𝐸 = 𝐼𝐵 + 𝐼𝐶 Como 𝐼𝐵 ≪ 𝐼𝐶 se puede hacer la aproximación 𝐼𝐶 ≈ 𝐼𝐸 Beta de cd (𝜷𝑪𝑫 ) y alfa de cd (𝜶𝑪𝑫 ) La 𝛽 se define como: 𝛽𝐶𝐷 𝐼𝐶 = 𝐼𝐵 La 𝛽 se conoce también como la ganancia de corriente porque una pequeña corriente de base produce una corriente mucho mayor de colector. Los valores típicos de 𝛽𝐶𝐷 varían de 20 a 200 y puede ser más alto. A 𝛽 suele designársele por ℎ𝐹𝐸 en las hojas de datos de los transistores. Dos derivaciones: 𝐼𝐶 = 𝛽𝐶𝐷 𝐼𝐵 𝐼𝐶 𝐼𝐵 = 𝛽𝐶𝐷 Ejemplo. Un transistor tiene una corriente de colector de 10mA y una corriente de base de 40 𝜇𝐴, ¿Cuál es la ganancia de corriente del transistor? 10 𝑚𝐴 𝛽= = 250 40𝜇𝐴 Ejercicio: Determine la 𝛽𝐶𝐷 y la corriente de emisor para un transistor con 𝐼𝐵 = 50 𝜇𝐴 e 𝐼𝐶 = 3.65 𝑚𝐴 3.65 𝑚𝐴 𝛽= = 73 50 𝜇𝐴 𝐼𝐸 = 𝐼𝐵 + 𝐼𝐶 = 50 𝜇𝐴 + 3.65 𝑚𝐴 = 3.7 𝑚𝐴 TRANSISTOR BIPOLAR (2) Beta de cd (𝜷𝑪𝑫 ) y alfa de cd (𝜶𝑪𝑫 ) La 𝛽 se define como: 𝛽𝐶𝐷 𝐼𝐶 = 𝐼𝐵 La 𝛽 se conoce también como la ganancia de corriente porque una pequeña corriente de base produce una corriente mucho mayor de colector. Los valores típicos de 𝛽𝐶𝐷 varían de 20 a 200 y puede ser más alto. A 𝛽 suele designársele por ℎ𝐹𝐸 en las hojas de datos de los transistores. Dos derivaciones: 𝐼𝐶 = 𝛽𝐶𝐷 𝐼𝐵 𝐼𝐶 𝐼𝐵 = 𝛽𝐶𝐷 Ejemplo. Un transistor tiene una corriente de colector de 10mA y una corriente de base de 40 𝜇𝐴, ¿Cuál es la ganancia de corriente del transistor? 10 𝑚𝐴 𝛽= = 250 40𝜇𝐴 Ejercicio: Determine la 𝛽𝐶𝐷 y la corriente de emisor para un transistor con 𝐼𝐵 = 50 𝜇𝐴 e 𝐼𝐶 = 3.65 𝑚𝐴 3.65 𝑚𝐴 𝛽= = 73 50 𝜇𝐴 𝐼𝐸 = 𝐼𝐵 + 𝐼𝐶 = 50 𝜇𝐴 + 3.65 𝑚𝐴 = 3.7 𝑚𝐴 Alfa La 𝛼 de CD (𝛼𝐶𝐷 ) es un parámetro menos utilizado que la beta en circuitos con transistores. Se define como: 𝛼𝐶𝐷 𝐼𝐶 = 𝐼𝐸 Como 𝐼𝐶 ≈ 𝐼𝐸 , 𝛼𝐶𝐷 es ligeramente menor que uno. Los valores típicos varían de 0.95 a 0.99 o más, la razón es que 𝐼𝐶 siempre es un poco menor que 𝐼𝐸 en una cantidad de 𝐼𝐵 . Ejemplo. Si 𝐼𝐸 = 100 𝑚𝐴 e 𝐼𝐵 = 1 𝑚𝐴, determine el 𝛼 del transistor entonces 𝐼𝐶 = 99𝑚𝐴 y 𝛼𝐶𝐷 = 99 𝑚𝐴 100 𝑚𝐴 = 0.9 Relación entre 𝛼𝐶𝐷 y 𝛽𝐶𝐷 𝐼𝐸 = 𝐼𝐶 + 𝐼𝐵 Partiendo de la ley de corrientes Dividiendo entre 𝐼𝐶 𝐼𝐸 𝐼𝐶 𝐼𝐵 𝐼𝐵 = + =1+ 𝐼𝐶 𝐼𝐶 𝐼𝐶 𝐼𝐶 (1) Como 𝛽= 𝐼𝐶 𝐼𝐵 y 𝛼= 𝐼𝐶 𝐼𝐸 1 𝐼𝐸 = 𝛼 𝐼𝐶 → 𝑦 Sustituyendo en (1) se tiene 1 𝛼 =1+ 1 𝛽 = 𝛽+1 𝛽 𝛼= 𝛽 𝛽+1 Para determinar 𝛽 en términos de 𝛼 𝛼 𝛽+1 =𝛽 𝛼𝛽 + 𝛼 = 𝛽 𝛼 =𝛽 1−𝛼 → 𝛼 = 𝛽 − 𝛼𝛽 𝛽𝐶𝐷 𝛼 = 1−𝛼 1 𝐼𝐵 = 𝛽 𝐼𝐶 Análisis de un circuito BJT Circuito de polarización de un transistor básico La fuente 𝑉𝐵𝐵 polariza en directa la unión B-E y la fuente 𝑉𝐶𝐶 polariza en inversa la unión B-C. La unión B-E se polariza en directa, opera como un diodo y la caída de voltaje con polarización en directa es: 𝑉𝐵𝐸 ≅ 0.7𝑉 Aunque en un transistor 𝑉𝐵𝐸 puede ser tan alto como 0.9 V y éste depende de la corriente Para determinar 𝐼𝐵 aplicamos LVK por la malla de la base: Conociendo 𝐼𝐵 se puede determinar 𝐼𝐶 = 𝛽 𝐼𝐵 e 𝐼𝐶 ≈ 𝐼𝐸 Para determinar 𝑉𝐶𝐸 aplicamos LVK por la malla del colector: Para determinar 𝑉𝐶𝐵 se aplica LVK en el contorno del transistor: Ejercicio: Determine 𝐼𝐵 , 𝐼𝐶 , 𝐼𝐸 , 𝑉𝐵𝐸 , 𝑉𝐶𝐸 y 𝑉𝐶𝐵 para el siguiente circuito. El transistor tiene una 𝛽𝐶𝐷 = 150 Polarización mediante realimentación del colector En la figura el resistor 𝑅𝐵 en serie con la base está conectado al colector y no a 𝑉𝐶𝐶 . La realimentación crea un efecto de “compensación” que tiende a mantener el punto Q estable. Si 𝐼𝐶 trata de incrementarse, más voltaje cae a través de 𝑅𝐶 produciendo una disminución en 𝑉𝐶 . Cuando 𝑉𝐶 se reduce, el voltaje a través de 𝑅𝐵 se reduce, lo que hace que 𝐼𝐵 se reduzca. La reducción de 𝐼𝐵 produce menos 𝐼𝐶 , lo que a su vez hace que caiga menos voltaje a través de 𝑅𝐶 y por lo tanto compensa la reducción de 𝑉𝐶 . Calcular 𝐼𝐶 y 𝑉𝐶𝐸 Ley de voltajes de K (entrada) Malla colector – Emisor Calcular los valores de 𝐼𝐶 y 𝑉𝐶𝐸 TRANSISTOR BIPOLAR (2) Polarización mediante realimentación del colector En la figura el resistor 𝑅𝐵 en serie con la base está conectado al colector y no a 𝑉𝐶𝐶 . La realimentación crea un efecto de “compensación” que tiende a mantener el punto Q estable. Si 𝐼𝐶 trata de incrementarse, más voltaje cae a través de 𝑅𝐶 produciendo una disminución en 𝑉𝐶 . Cuando 𝑉𝐶 se reduce, el voltaje a través de 𝑅𝐵 se reduce, lo que hace que 𝐼𝐵 se reduzca. La reducción de 𝐼𝐵 produce menos 𝐼𝐶 , lo que a su vez hace que caiga menos voltaje a través de 𝑅𝐶 y por lo tanto compensa la reducción de 𝑉𝐶 . Calcular 𝐼𝐶 y 𝑉𝐶𝐸 Ley de voltajes de K (entrada) Malla colector – Emisor Calcular los valores de 𝐼𝐶 y 𝑉𝐶𝐸 Estabilidad de la polarización del emisor La polarización del emisor proporciona una excelente estabilidad de polarización a pesar de los cambios de 𝛽 o de la temperatura Los voltajes con respecto a tierra se indican con un solo subíndice. El voltaje en el emisor con respecto a tierra es 𝑉𝐸 = 𝑉𝐸𝐸 + 𝐼𝐸 𝑅𝐸 El voltaje en la base con respecto a tierra es 𝑉𝐵 = 𝑉𝐸 + 𝑉𝐵𝐸 El voltaje en el colector con respecto a tierra es 𝑉𝐶 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶 𝑅𝐶 La ley de voltaje de Kirchhoff aplicada alrededor del circuito base-emisor: Para voltaje colector – emisor Determinar 𝐼𝐶 y 𝑉𝐶𝐸 si 𝛽 = 50 a 100 y 𝑉𝐵𝐸 = 0.7 𝑉 y 0.6 𝑉 Polarización con realimentación del emisor Si se agrega un resistor en serie con el emisor al circuito de polarización de la base de la siguiente figura, el resultado es la polarización con realimentación del emisor, como se muestra. TRANSISTOR BIPOLAR (2) Polarización mediante realimentación del colector En la figura el resistor 𝑅𝐵 en serie con la base está conectado al colector y no a 𝑉𝐶𝐶 . La realimentación crea un efecto de “compensación” que tiende a mantener el punto Q estable. Si 𝐼𝐶 trata de incrementarse, más voltaje cae a través de 𝑅𝐶 produciendo una disminución en 𝑉𝐶 . Cuando 𝑉𝐶 se reduce, el voltaje a través de 𝑅𝐵 se reduce, lo que hace que 𝐼𝐵 se reduzca. La reducción de 𝐼𝐵 produce menos 𝐼𝐶 , lo que a su vez hace que caiga menos voltaje a través de 𝑅𝐶 y por lo tanto compensa la reducción de 𝑉𝐶 . Calcular 𝐼𝐶 y 𝑉𝐶𝐸 Ley de voltajes de K (entrada) Malla colector – Emisor Calcular los valores de 𝐼𝐶 y 𝑉𝐶𝐸 Estabilidad de la polarización del emisor La polarización del emisor proporciona una excelente estabilidad de polarización a pesar de los cambios de 𝛽 o de la temperatura Los voltajes con respecto a tierra se indican con un solo subíndice. El voltaje en el emisor con respecto a tierra es 𝑉𝐸 = 𝑉𝐸𝐸 + 𝐼𝐸 𝑅𝐸 El voltaje en la base con respecto a tierra es 𝑉𝐵 = 𝑉𝐸 + 𝑉𝐵𝐸 El voltaje en el colector con respecto a tierra es 𝑉𝐶 = 𝑉𝐶𝐶 − 𝐼𝐶 𝑅𝐶 La ley de voltaje de Kirchhoff aplicada alrededor del circuito base-emisor: Para voltaje colector – emisor Determinar 𝐼𝐶 y 𝑉𝐶𝐸 si 𝛽 = 50 a 100 y 𝑉𝐵𝐸 = 0.7 𝑉 y 0.6 𝑉 Polarización con realimentación del emisor Si se agrega un resistor en serie con el emisor al circuito de polarización de la base de la siguiente figura, el resultado es la polarización con realimentación del emisor, como se muestra. Calcular los valores de IC y VCE
