ELECTRONICA ANALOGICA I

UNIDAD TEMTICA No. 3

EL TRANSISTOR BIPOLAR (BJT)

A los dispositivos que se construyen con combinaciones de bloques formados de semiconductores N y P se les llama genricamente transistores (de: Transfer Resistor).

Durante 1945 a 1949 el grupo de la compaa Bell desarroll la teora de los transistores, la verific experimentalmente y fueron construidos diodos y triodos.

En el ao de 1956 Bardeen, Shockley y Brattain recibieron el Premio Nobel de Fsica por el brillante trabajo que desemboc en la invencin del transistor.

Hemos de mencionar que Bardeen recibi en 1972 nuevamente el Premio Nobel de Fsica, ahora en compaa de J. R. Schrieffer y L. N. Cooper, por haber desarrollado la teora de la superconductividad.

Los transistores tienen varias ventajas sobre los tubos al vaco:

En primer lugar, para que funcione un tubo al vaco su ctodo debe

calentarse, y esto se logra pasando una corriente por un filamento cercano a l.

El voltaje tpico que se requiere para lograr esto es de 250 V. Una vez conectado este voltaje se necesita esperar determinado tiempo hasta que se caliente el ctodo.

Por tanto, cualquier aparato que use tubos al vaco no funciona inmediatamente despus de haberse conectado.

El transistor no requiere este calentamiento, por lo que empieza a funcionar inmediatamente despus de su conexin. En consecuencia, el uso de un transistor en lugar de tubos al vaco ahorra mucha energa, y por tanto, resulta ms econmico.

En segundo lugar, la respuesta del transistor a seales de frecuencias

muy altas es muy efectiva, lo cual no ocurre con los tubos al vaco.

Como el tamao de un transistor es mucho menor que el de los tubos al vaco, con l se inici la miniaturizacin de los aparatos electrnicos.

El invento del transistor abri una nueva era en la civilizacin moderna, ya que se le pudo utilizar de manera muy general en una gran variedad de aparatos. En las dcadas de 1950 y 1960 se construyeron radios, computadoras electrnicas, aparatos de control industrial, etc., que gracias a los transistores adquirieron un tamao relativamente pequeo, porttiles, con necesidades de energa muy reducidos y de larga vida.

En gran medida, en las dcadas mencionadas los transistores sustituyeron a los tubos al vaco. Sin embargo, para ciertas aplicaciones muy especficas los tubos han tenido ventajas sobre los transistores. As, se emplean para transmisores de radio de potencia alta y mediana, para amplificadores de microondas y osciladores, para tubos de rayos catdicos como los que se usan en los televisores, monitores, pantallas de diversos aparatos, en equipos profesionales de audio, etctera.

REPRESENTACIN DEL TRANSISTOR BIPOLAR

Los siguientes esquemas muestran la representacin del transistor en su forma de construccin y smbolo circuital. El transistor PNP se puede interpretar como dos diodos unidos por su ctodo. El transistor NPN se puede interpretar como dos diodos unidos por su nodo. Estas representaciones permiten idear la forma de probar el buen estado del transistor midiendo las uniones con un multmetro.

Sus terminales son denominados:

E = Emisor (ingresa las cargas al dispositivo)

C = Colector (recibe las cargas que provienen del emisor)

B = base (controla el flujo de cargas al colector)

Para obtener el efecto amplificador del transistor se hace que la base sea angosta en comparacin con las regiones de colector y emisor. Adicionalmente, la concentracin de impurezas es menor en la base para lograr que las regiones de transicin sean mayores en ella, lo cual permite reducir su ancho efectivo y aumentar la ganancia.

Esquemas del transistor bipolar

REGIONES DE TRABAJO EN EL TRANSISTOR BIPOLAR:

Como el BJT posee dos uniones P-N y sabemos que ellas pueden ser polarizadas en forma directa o inversa, surgen 4 formas posibles de polarizacin, las cuales se indican en la siguiente tabla:

Je = Juntura de emisor

PD = Polarizacin directa

Jc = Juntura de colector

PI = Polarizacin inversa

TRANSISTOR PNP

TENSIONJeJcZONACARACTERISTICA

VEB > 0, VCB > 0PDPDSATURACINSe comporta como interruptor cerrado

VEB < 0, VCB < 0PIPICORTESe comporta como interruptor abierto

VEB > 0, VCB < 0PDPIACTIVASe comporta como amplificador

VEB < 0, VCB > 0PIPDACTIVA INVERSASe comporta como amplificador con muy baja ganancia

TRANSISTOR NPN

TENSIONJeJcZONACARACTERISTICA

VBE > 0, VBC > 0PDPDSATURACINSe comporta como interruptor cerrado

VBE < 0, VBC < 0PIPICORTESe comporta como interruptor abierto

VBE > 0, VBC < 0PDPIACTIVASe comporta como amplificador

VBE < 0, VBC > 0PIPDACTIVA INVERSASe comporta como amplificador con muy baja ganancia

Las zonas de corte y saturacin son empleadas comnmente en los circuitos digitales.

La zona activa se emplea comnmente en circuitos analgicos debido a que ah el transistor puede amplificar seales.

La zona activa inversa se emplea tambin en algunos tipos de circuitos digitales, tales como las compuertas lgicas TTL

Modelo matemtico del transistor bipolar:

Uno de los modelos muy usados en el anlisis de circuitos es el de Ebers-Moll.

Como el transistor es formado por dos uniones P-N, las ecuaciones tienen la forma de la del diodo, tanto para la unin de emisor como la de colector:

IE = [IEBO / (1 - NI)](VBE/VT- 1) + [IICBO / (1 - NI)](VBC/VT- 1)

IC = [NIEBO / (1 - NI)](VBE/VT- 1) - [ICBO / (1 - NI)](VBC/VT- 1)

Adems, se tiene mediante las leyes de Kirchhoff:

IE = IB + IC

VCE = VCB + VBEEn la zona activa las ecuaciones de Ebers-Moll se reducen a:

IE = [IEBO / (1 - NI)]VBE/VT - [IICBO / (1 - NI)]

IC = [NIEBO / (1 - NI)]VBE/VT + [ICBO / (1 - NI)]

Definiendo:

= N / (1 - N)

Se llega a la siguiente ecuacin para IC:

IC = IB + (1 + )ICBO

Curvas del transistor bipolar:

El transistor posee un conjunto de curvas que representan la relacin entre sus corrientes y tensiones externas.

Curva de transferencia:

Se emplea como entrada la juntura base-emisor. Por ello, las curvas de entrada tendrn mucha similitud con la curva del diodo. En realidad son una familia de curvas que dependen de la tensin colector-emisor, pero se considera una sola porque tienden a estar muy juntas.

En la siguiente grfica se le muestra:

CURVAS DE SALIDA:

Las curvas ms usadas son la que relacionan IC vs VCE usando como parmetro la corriente de base (IB)

Vemos que posee varias zonas de operacin:

En la zona de saturacin, acta como interruptor cerrado (tensin pequea, corriente alta)

En la zona de corte, acta como interruptor abierto (tensin alta, corriente pequea)

En la zona activa acta como amplificador, Para seales de entrada pequea se comporta linealmente.

En la zona de ruptura maneja tensiones y corrientes altas, con una gran disipacin de potencia. Comnmente se evita trabajar en esta zona para evitar la destruccin del transistor.

El punto de operacin:

Dado que el BJT posee varias zonas de trabajo, es necesario darle una coordenada en base a tensiones y corrientes constantes para ubicarlo en una de ellas. A esta coordenada se le denomina punto de operacin (Q).

En nuestro curso estudiamos su uso como amplificador. Por ello, debemos ponerlo en la zona activa. Sabemos que, en este caso, debe tener su unin base-emisor polarizada directamente y su unin base-colector polarizada inversamente.

A este proceso, de darle un punto de operacin, se le llama polarizacin.

Mtodos de polarizacin. Comparacin entre los diferentes mtodos:

A continuacin veremos diferentes formas de polarizar al transistor.

RB Y RC limitan las corrientes que circulan en el transistor. Este mtodo requiere dos fuentes y por ello no es prctico.

Los mtodos prcticos son los siguientes:

Polarizacin fija:

Este mtodo es sencillo, fcil de disear y utiliza slo una fuente. Su inconveniente est en que el punto de operacin vara mucho con la temperatura, es decir, no tiene estabilidad. Esto se debe a la gran sensibilidad de los semiconductores a los cambios de temperatura.

Para poder hacer buenos amplificadores, un requisito es que el punto de operacin tenga estabilidad trmica.

Polarizacin Colector-Base:

Este mtodo es un poco ms complejo que el anterior, pero posee mejor estabilidad. Tambin utiliza una sola fuente.

Autopolarizado:

Este mtodo es muy usado porque posee muy buena estabilidad trmica, aunque su diseo es ms complejo.

Obsrvese que en el caso de transistores PNP, la fuente de alimentacin y las corrientes estn invertidas respecto al NPN.

Los mtodos anteriores permiten otras formas basadas en combinaciones entre ellos:

Polarizacin mediante fuentes de corriente:

Estos mtodos son muy usados, especialmente en circuitos integrados, porque permiten economizar espacio, muy buena estabilidad y lograr la mxima amplificacin.

Estabilizacin del punto de operacin:

Como ya se ha mencionado, es necesario que el punto de operacin sea constante y no vare por efectos de la temperatura, rizado de la fuente de alimentacin, cambio de los parmetros del transistor, etc.

Las tcnicas que permiten estabilizar el punto de operacin pueden clasificarse en dos categoras:

1) Tcnicas de estabilizacin: Utilizan circuitos de polarizacin resistivos que mantienen IC relativamente constante ante variaciones de ICBO, VBE y .

2) Tcnicas de compensacin: Utilizan dispositivos sensibles a la temperatura como termistores, transistores, diodos, etc. que entregan corrientes y tensiones de compensacin que mantienen al punto de operacin prcticamente constante.

Tcnicas de estabilizacin:

El punto de operacin de un transistor puede variar por cambios sufridos en la corriente inversa de la juntura ColectorBase (ICBO), por las variaciones de la tensin Base-Emisor (VBE), la ganancia (), variaciones de la fuente de alimentacin, los componentes del circuito.

La variacin de la corriente de colector debido a estos parmetros podemos expresarla aproximadamente por:

IC = SI ICBO + SV VBE + S + SVCC VCC + SR1R1 + ....

SI = Factor de estabilidad de corriente.

SV = Factor de estabilidad de tensin.

S = Factor de estabilidad de ganancia.

SVCC = Factor de estabilidad de la fuente.

SR1 = Factor de estabilidad de la resistencia R1.

IC = Variacin total de la corriente de colector.

ICBO = Variacin total de la corriente ICBO

VBE = Variacin total de la tensin Base-Emisor

= Variacin total de ganancia de corriente

VCC = Variacin total de fuente de alimentacin.

R1 = Variacin total de resistencia R1Cada factor de estabilidad puede determinarse asumiendo que las dems variables Se mantienen constantes.

El factor de estabilidad SI se obtiene con la siguiente ecuacin:

SI = IC / ICBO , cuando: VBE = 0 y = 0

Mientras ms grande es SI, el punto de operacin es ms inestable. El mnimo valor posible de SI es 1.

Los circuitos que estabilizan el punto de operacin respecto a variaciones de ICBO, tambin se comportan satisfactoriamente ante variaciones de VBE, , etc. Por ello, basta obtener un buen factor de estabilidad SI.

La ecuacin general que gobierna la corriente de colector del transistor es:

IC = IB + (1 + ) ICBO

Derivando respecto a IC obtenemos:

SI = (1 + ) / (1 dIB / dIC)

De esta ecuacin concluimos que para valores grandes de , SI se aproxima a la unidad.

El trmino dIB / dIC se obtiene a partir del circuito que utilicemos. Para el clculo de SI se considera que VBE, , etc. no varan.

Tomemos como ejemplo el circuito autopolarizado, cuyo equivalente de thevenin se encuentra a continuacin:

En la malla Base-Emisor podemos plantear la siguiente ecuacin:

VBB = IB RB + VBE + (IC + IB) REDerivando esta ecuacin respecto a IC:

dIB / dIC = - (Re / (Re + RBB))

Reemplazando en la ecuacin de SI obtenemos:

SI = (1 + RBB / Re) / (1 + (RBB / (1 + )Re))

Si hacemos: RBB = (1 + ) Re / 10, tendremos: SI = (11 + ) / 11

Para un valor de = 50 , se tiene: SI = 5.55; el cual es un buen factor, siendo 3 el valor ptimo. Tambin observamos que si es ms grande, el factor de estabilidad empeora. Por ejemplo, si: = 100, SI = 10.1. En este caso el factor de estabilidad ha aumentado y tendremos que elegir otra relacin de RBB con RE para mantener SI pequeo.

Tcnicas de compensacin:

Para obtener mejor regulacin y compensacin de temperatura con la red resistiva, se puede conectar un diodo entre las base y referencia de los transistores. Estos diodos deben elegirse cuidadosamente para permitir la exacta cada de voltaje necesaria. Pero, si esta polarizacin cambia con la edad del equipo, la polarizacin tambin sufrir cambios.

Si por cualquier motivo (variacin de temperatura ambiente, calentamiento del transistor, etc.) la temperatura del transistor vara, esto causa una variacin de la tensin base-emisor (aproximadamente 2.5mV/C).

Una forma de evitar estos efectos indeseables es haciendo que la tensin de polarizacin vare de manera similar a la variacin de VBE con la temperatura, lo cual se logra colocando, en paralelo con R2, un termistor NTC (Negative Temperature Coefficient) de similar coeficiente de temperatura que el diodo base-emisor. De esta forma la tensin en el termistor disminuir del mismo modo como VBE disminuye manteniendo siempre la corriente de colector (proporcional a la corriente de base) en un valor casi constante.

A continuacin se muestran formas tpicas de polarizacin con compensacin de temperatura. En la figura a se coloca una resistencia en paralelo con el termistor con el fin de aproximar el coeficiente de temperatura equivalente al del diodo base-emisor.

En la figura b es mostrada la polarizacin por diodo, estos trabajan polarizados en sentido directo y deben exhibir el mismo coeficiente de temperatura que el correspondiente al diodo base-emisor del transistor.

Se aumenta mucho ms la estabilidad contra variaciones de temperatura colocando un resistor en el emisor del transistor (figuras a, b y c).

La compensacin puede hacerse ms efectiva cuando se emplea un transistor regulador. Dado que el punto de operacin es difcil de mantener, podemos usar un transistor regulador de voltaje y lograr controlar fcilmente al punto de operacin ajustndolo mediante un potencimetro.

En la figura c el transistor Q2 se encarga de controlar en forma precisa el punto de operacin del transistor principal, actuando como regulador. Tambin compensa automticamente contra variaciones de temperatura.

Rectas de carga: Recta de carga DC. Recta de carga AC.

Para el estudio de los circuitos utilizamos las leyes de Kirchhoff y la ley de Ohm.

En el siguiente circuito usado como amplificador:

La corriente de colector est formada por la corriente del punto de operacin y la corriente de seal:IC = ICQ + ic

En forma anloga para la tensin:VCE = VCEQ + vce

Planteando la ley de Kirchhoff en la malla colector-emisor:

VCC + 0 = ICQ RC + VCEQ + IEQ RE + ic RC + vce

Aqu se han considerado muy pequeas las reactancias de los condensadores a la frecuencia de la seal.

Los 3 primeros trminos de la derecha son DC y se cumple:

VCC = ICQ (RC + (1 + 1 /)RE) + VCEQY recibe el nombre de Recta de carga esttica (o DC)Los 2 trminos siguientes de la derecha son AC y se cumple:

0 = + ic RC + vce

Y recibe el nombre de Recta de carga dinmica (o AC)Lo anterior indica que podemos estudiar al amplificador slo en DC y luego slo en AC.

Estas ecuaciones pueden ser graficadas en las curvas de salida del transistor y son un par de rectas.

Configuraciones del transistor: Emisor comn, colector comn y base comn.

El transistor posee 3 terminales y podemos considerarlo como un cuadripolo, siempre que tomemos un terminal comn a la entrada y a la salida, como se observa en las siguientes figuras.

En cada una de ellas el transistor posee diferentes propiedades, por lo que es necesario estudiarlas.

En emisor comn (EC):

La entrada es la unin base-emisor y la corriente de base.

La salida es entre colector-emisor y la corriente de colector.

En base comn (BC):

La entrada es la unin emisor-base y la corriente de emisor.

La salida es en la unin colector-base y la corriente de colector.

En colector comn (CC):

La entrada es la unin base-colector y la corriente de base.

La salida es entre emisor-colector y la corriente de emisor.

Modelos de baja frecuencia y pequea seal del transistor:

Cuando trabaja en la zona activa, con seales pequeas, el transistor puede ser representado por un modelo de cuadripolo lineal. Esto podemos explicarlo en la siguiente forma:

IE = [IEBO / (1 - NI)]VBE/VT = IESVBE/VTIC = IEsVBE/VT

Si: VBE = VBEQ + vbeVBEQ = Tensin DC del punto de operacin

vbe = Tensin de seal

Reemplazando en Ic:Ic = Ies e(VBEQ + vbe) / VT = Ies eVBEQ / VT e vbe / VTSi vbe es pequea seal:Ic = IEQ e vbe / VTEl desarrollo de la exponencial en series de potencia es:

x = 1 + x/1! + x2/2! + x3/3! + .....

Si se cumple:x = vbe / VT