Transistor bjt

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Transistor bjt

  1. 1. ELECTRÓNICA XABIER PÉREZ TEMA 05 Página 1 de 12 5 TRANSISTORES. 5.1 INTRODUCCIÓN. El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas, compuesto ya sea por la unión de dos capas de material tipo n y una de tipo p o dos capas de material tipo p y una de tipo n. En el primero de los casos, se habla de un transistor npn, en tanto que el segundo recibe el nombre de transistor pnp. La abreviatura BJT (Bipolar Junction Transistor = transistor de unión bipolar) se aplica a menudo a este dispositivo de tres terminales. El término bipolar refleja el hecho de que los electrones y los huecos participan en el proceso de inyección en el material polarizado opuestamente. Un transistor consta de tres terminales: emisor, base y colector. En esencia, se puede interpretar, por su estructura física, como dos diodos en serie conectados entre sí por uno de sus terminales (el ánodo o el cátodo). La característica principal del transistor es que su resistencia interna variará según la señal de entrada, así que se puede decir que el transistor regulará el paso de corriente a través suyo y, per tanto, que podrá amplificar proporcionalmente a la salida, la señal que se aplica en su entrada Como se ya se ha dicho, existen de dos tipos, NPN o PNP. En este documento se tratarán los NPN (el análisis para los PNP es análogo y se invita al estudiante al estudio autodidacta del PNP a partir de lo explicado del NPN). 5.2 MODELO DE TRANSISTOR IDEAL (en continua). El transistor ideal se puede entender como un modelo de dos diodos que darán paso de corriente o no según la tensión que caiga sobre ellos. La combinación de los dos estados posibles de cada estado, proporciona cuatro estados posibles de funcionamiento del transistor: activa directa, activa inversa, saturación y corte.
  2. 2. ELECTRÓNICA XABIER PÉREZ TEMA 05 Página 2 de 12 Según las relaciones expuestas en las gráficas y tablas anteriores, se pueden extraer las siguientes conclusiones: 1 La corriente en el emisor recoge la de la base y la del colector: IE = IB + IC VBE VBC D1 D2 ZONA DE OPERACIÓN < 0.7 V < 0.7 V OFF OFF CORTE ≥ 0.7 V < 0.7 V ON OFF ACTIVA DIRECTA (ZAD) < 0.7 V ≥ 0.7 V OFF ON ACTIVA INVERSA (ZAI) ≥ 0.7 V ≥ 0.7 V ON ON SATURACIÓN (SAT) E CB IC IB IE + VBC - + VCE - + VBE - D1 D2 ßIB Símbolo BJT tipo NPN Modelo de análisis para BJT tipo NPN Zonas de operación según uniones BE y BC Característica IC - VCE según las zonas de operación
  3. 3. ELECTRÓNICA XABIER PÉREZ TEMA 05 Página 3 de 12 2 La corriente de colector, si el transistor opera en Zona Activa Directa, amplificará la corriente de base un factor β: IC = β IB [β es un coeficiente adimensional denominado ganancia directa de corriente, o bien ganancia estática de corriente. Su valor oscila entre 100 y 150, dependiendo del modelo de transistor] 3 Para que, según el modelo del BJT-NPN expuesto, el diodo D2 esté en directa, es necesario que la tensión de la base sea superior o igual a la del colector: VBC = VBE - VCE ≥ 0 De las cuatro zonas de operación del BJT, se analizará el funcionamiento en ZAD, SAT y CORTE, dado que los transistores no se suelen fabricar para trabajar en ZAI. 5.3 ZONA DE CORTE. En esta zona, el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación y se puede considerar como un circuito abierto entre colector y emisor (estado abierto de un interruptor). Se puede considerar que las corrientes que le atraviesan son prácticamente nulas, especialmente la de colector. El transistor opera en Corte cuando ambas uniones BE y BC trabajan en inversa (VBE < 0.7 V y VBc < 0.7 V). En esta situación los dos diodos D1 y D2 impiden el paso y se comportan como circuitos abiertos. VBE VBC D1 D2 ZONA < 0.7 V < 0.7 V OFF OFF CORTE ≥ 0.7 V < 0.7 V ON OFF ZAD < 0.7 V ≥ 0.7 V OFF ON ZAI ≥ 0.7 V ≥ 0.7 V ON ON SAT ZONA DE CORTE Modelo de análisis en CORTE E CB IC IB IE + VBC - + VCE - + VBE - D1 D2 ßIB E CB 00 0 + VBC - + VCE - + VBE -
  4. 4. ELECTRÓNICA XABIER PÉREZ TEMA 05 Página 4 de 12 Diremos que el transistor se encuentra en la zona de corte, cuando IB = 0, lo que provocará que la corriente IC sea tan pequeña que la podamos despreciar. Se dice entonces, que el transistor se comporta como un interruptor abierto. 5.4 ZONA ACTIVA DIRECTA (ZAD) O ZONA LINEAL. El transistor sólo amplifica en esta zona, y se comporta como una fuente de corriente constante controlada por la intensidad de base (ganancia de corriente). La operación en ZAD se produce cuando la unión BE se polariza en directa (VBE ≥ 0.7 V) y la BC en inversa (VBC < 0.7 V). En esa situación, al estar en inversa el diodo D2, se establece circuito abierto entre base y colector. El diodo D1 permitirá el paso de la corriente de base, a costa del consumo estándar de 0.7 V (VT = 0.7V) Condiciones Resultados VBE < 0.7 V VBC < 0.7 V IB = 0 IC = 0 IE = IB + IC = 0 VCE = VBE – VBC = VCC VBE VBC D1 D2 ZONA < 0.7 V < 0.7 V OFF OFF CORTE ≥ 0.7 V < 0.7 V ON OFF ZAD < 0.7 V ≥ 0.7 V OFF ON ZAI ≥ 0.7 V ≥ 0.7 V ON ON SAT E CB IC IB IE + VBC - + VCE - + VBE - D1 D2 ßIB E CB IC IB IE + VBC - + VCE - + VBE - VT ßIB 0.7V Modelo de análisis en ZAD
  5. 5. ELECTRÓNICA XABIER PÉREZ TEMA 05 Página 5 de 12 5.5 ZONA DE SATURACIÓN (SAT) En esta zona, el transistor es utilizado para aplicaciones de conmutación y se puede considerar como un cortocircuito entre colector y emisor (estado cerrado de un interruptor). El transistor opera en Saturación cuando ambas uniones BE y BC trabajan en directa (VBE ≥ 0.7 V y VBC ≥ 0.7 V). En esta situación los dos diodos D1 y D2 dan paso a costa de consumir cada uno 0.7 V (VT = 0.7 V). ZONA ACTIVA DIRECTA (ZAD) Condiciones Resultados VBE ≥ 0.7 V VBC < 0.7 V IC = β IB IE = IB + IC = IB + β IB = IB (1 + β) VBE = VT = 0.7 V VCE = VBE – VBC = 0.7 – VBC ≥ 0 VBE VBC D1 D2 ZONA < 0.7 V < 0.7 V OFF OFF CORTE ≥ 0.7 V < 0.7 V ON OFF ZAD < 0.7 V ≥ 0.7 V OFF ON ZAI ≥ 0.7 V ≥ 0.7 V ON ON SAT ZONA DE SATURACIÓN (SAT) Condiciones Resultados VBE ≥ 0.7 V VBC ≥ 0.7 V IC < β IB IE = IB + IC VBE = VT = 0.7 V VBC= VT = 0.7 V VCE = VBE – VBC =0 E CB IC IB IE + VBC - + VCE - + VBE - D1 D2 ßIB E CB IC IB IE + VBC - + VCE - + VBE - VT 0.7V VT 0.7V Modelo de análisis en SAT
  6. 6. ELECTRÓNICA XABIER PÉREZ TEMA 05 Página 6 de 12 5.6 CRITERIOS DE ANÁLISIS A la hora de analizar un circuito con transistores el principal problema radica en averiguar en qué zona de operación se halla cada uno de ellos. Es conveniente partir de una hipótesis y a partir de aquí hacer el análisis, utilizando el modelo de transistor acorde a cada zona de operación, para comprobar si se verifica o no el supuesto inicial. En caso de no verificación, se descartará el caso inicial y se procederá a plantear una nueva hipótesis. Se pueden emplear los siguientes criterios: CRITERIO 1. Si la tensión entre base y emisor VBE es igual o mayor que la tensión de corte VT = 0,7 V, se supondrá que el transistor CONDUCE y puede estar en ZAD o en SAT; si no, se puede asegurar que está en CORTE. CRITERIO 2. Si la tensión entre colector y emisor VCE es nula, se supondrá que el transistor se encuentra SATURADO (en realidad, un transistor saturado tiene una VCE alrededor de 0.2V y no nula). CRITERIO 3. Si se supone que el transistor está SATURADO (VCE = 0), se ha de encontrar la intensidad IC del colector en este estado (IC_SAT). Si IC_SAT fuera menor que el producto βIB, se puede afirmar que el transistor está en SATURACIÓN y que IC = IC_SAT; en caso contrario, es decir βIB < IC_SAT, el transistor se encontraría en ZAD, y entonces IC = βIB 5.7 EJEMPLO DE ANÁLISIS. Hallar IB, IC, IE, VCE, VBE y VBC en el circuito del transistor representado en la figura. Para la resolución del circuito, se seguirán los siguientes pasos: 1. Planteamiento, por Kirchhoff, de la ecuación de la malla de Base. 2. Plantear hipótesis de CORTE. Comprobar. 3. Planteamiento, por Kirchhoff, de la ecuación de la malla de Colector. 4. Plantear hipótesis de SATURACIÓN. Comprobar. 5. Resolver
  7. 7. ELECTRÓNICA XABIER PÉREZ TEMA 05 Página 7 de 12 1. Planteamiento, por Kirchhoff, de la ecuación de la malla de Base. Extrayendo el subcircuito de la malla de base, y substituyendo la unión BE por la fuente VBE, se obtiene: VB = RB IB + VBE 5V = RB IB + VBE 2. Plantear hipótesis de CORTE. Comprobar. Si estuviera en corte, la corriente de base IB (y las de colector IC y emisor IE) debería ser nula. Aplicando en la ecuación de malla de la base: IB = 0 VB = RB IB + VBE = 5V VBE = 5V > 0.7 V Una de las condiciones para estar en corte es que VBE sea inferior a 0.7 V. En este caso, no se cumple SE DESCARTA QUE ESTÉ EN CORTE. Se ha de mirar si está en ZAD o en SAT. Al no estar en corte, IB ≠ 0. En ese caso, tanto si está en SAT como en ZAD, VBE = 0.7 V. La ecuación de malla de base queda así: VT = 0.7 V β = 100
  8. 8. ELECTRÓNICA XABIER PÉREZ TEMA 05 Página 8 de 12 VBE = 0.7 V VB = RB IB + VBE 5V = 100kΩ · IB + 0.7V Despejando la corriente de base: A43 k100 V7.0V5 IB µ= Ω − = 3. Planteamiento, por Kirchhoff, de la ecuación de la malla de Colector. Extrayendo el subcircuito de la malla de colector, y substituyendo la unión CE por la fuente VCE, se obtiene: VC = RC IC + VCE 5 V = RC IC + VCE 4. Plantear hipótesis de SATURACIÓN. Comprobar Se supondrá que está saturado. Si trabaja en esta zona se puede afirmar que VCE = 0. A partir de la ecuación de malla de colector es inmediato encontrar la corriente de colector de saturación, IC_SAT VCE = 0 V 5 V = RC IC + 0 mA5 k1 V5 I SAT_C = Ω = IC_SAT representa la máxima corriente posible que puede circular en este problema. Si resultara que el producto β·IB fuera mayor que IC_SAT, se podría afirmar que la corriente de base es suficiente para SATURAR el transistor. De ser así, el transistor estaría en SATURACIÓN y la corriente de colector IC sería el valor calculado para IC_SAT. En caso contrario, se deducirá que el transistor opera en ZONA ACTIVA DIRECTA. Se comprueba la relación entre β·IB y IC_SAT para concretar la zona de operación: ZADII mA3.4A43100I mA5I SAT_CB B SAT_C ⇒<β⇒    =µ×=β =
  9. 9. ELECTRÓNICA XABIER PÉREZ TEMA 05 Página 9 de 12 La base no puede llegar a saturar al transistor por lo que se descarta que trabaje en esta zona. Finalmente, se determina que el transistor opera en ZONA ACTIVA DIRECTA. 5. Resolver Se ha concretado que el transistor trabaja en ZONA ACTIVA DIRECTA. Se substituye en el circuito inicial por el modelo equivalente: Al substituir queda como en la figura, donde la fuente dependiente de corriente tiene IB como entrada, para que genere IC = βIB. Se ha ajustado el valor de la ganancia a 100. Como ya se ha calculado antes, la corriente de base se obtiene a partir de la ecuación de la malla de base. Conocida IB, es inmediato encontrar las otras dos corrientes. A343.4)1(IIII mA3.4A43100II A43I BCBC BC B µ=β+×=+= =µ×=β= µ= E CB IC IB IE + VBC - + VCE - + VBE - D1 D2 ßIB E CB IC IB IE + VBC - + VCE - + VBE - VT ßIB 0.7V
  10. 10. ELECTRÓNICA XABIER PÉREZ TEMA 05 Página 10 de 12 A partir de la ecuación de la malla de colector se extrae la tensión que cae entre colector y emisor: VC = RC IC + VCE VCE = VC - RC IC = 5V – 1kΩ·4.3mA VCE =0.7 V Finalmente, se calcula el voltaje entre base y colector: VBC = VBE - VCE = 0.7 – 0.7 = 0V Se resumen todos los resultados en la siguiente tabla: ZONA ACTIVA DIRECTA IB IC IE VBE VCE VBC 43 µA 4,3 mA 4,343 mA 0,7 V 0.7 V 0 V EJERCICIO 1 A partir del circuito del ejemplo, y dando los valores para Vc y Vb que se indican la tabla, determine la zona de operación, las corrientes y los voltajes del transistor. Compruebe las soluciones obtenidas con la ayuda de PSPICE. ZONA IB IC IE VBE VCE VBC VB = 5 V VC = 10 V VB = 0 V VC = 10 V VB = 10 V VC = 10 V
  11. 11. ELECTRÓNICA XABIER PÉREZ TEMA 05 Página 11 de 12 EJERCICIO 2 1 Un transistor está polarizado en ZAD como se indica en la figura. Tiene una corriente de base de 8 µA y una corriente en el colector de 1.2 mA. ¿Cuál es valor de la corriente en el emisor?. ¿Cuál es la ganancia (β) del transistor?. 2 Un transistor se conecta como se muestra en la figura del problema anterior. La corriente del emisor es de 2.42 mA y la del colector es de 2.4 mA. ¿Cuánto vale la corriente en la base?. ¿Y el valor de β? 3 Un transistor está conectado como se indica en la figura del problema 1. Tiene una corriente de base de 16 µA y una ganancia de 80. ¿Cuánto vale la corriente en el colector?. ¿Y en el emisor? EJERCICIO 3 1 En el circuito de la figura β =80, IB = 10 µA, R1 = 50 KΩ, R2 = 6 KΩ y V2=10V. ¿Qué valor tomarán los medidores IE, IC y VCE, si se admite la hipótesis de que el transistor está polarizado en la ZAD?. A la vista de los resultados del apartado anterior, comprobar la validez de la hipótesis.
  12. 12. ELECTRÓNICA XABIER PÉREZ TEMA 05 Página 12 de 12 2 Si la corriente de base es 30 µA y la corriente de emisor es 4mA, ¿Cuál es el valor de β? EJERCICIO 4 1 Encontrar la tensión en el colector cuando el transistor de la figura se encuentra en saturación. 2 Encontrar la tensión del colector del transistor de la figura cuando se encuentra en corte. 3 Si la β del transistor de la figura es 50, ¿Qué tensión es necesaria a la entrada para saturar el transistor? 4 Si la tensión de mínima en la entrada es de 3.7 V, ¿Cuál es el valor límite de la resistencia R1 antes de entrar en saturación para un valor de β de 50? 5 Cuando la entrada es de 5V, ¿Qué β se requiere para saturar el transistor? 6 En el circuito de la figura suponer que la corriente del colector es de 4 mA cuando la corriente de entrada es de 0.5 µA. En estas condiciones, ¿Cuál será la corriente del emisor? 7 En el circuito de la figura suponer que la corriente del colector es de 4 mA cuando la corriente de entrada es de 0.5µA. Si la corriente de entrada se aumenta a 1.0 µA, ¿Qué le sucederá a la corriente del colector?

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