Transistor NPN BC 548 encapsulado TO-92
Rodrigo Ernesto Ulloa Gaete
Estudiante Ingeniería Civil Eléctrica.
Universidad de ...
Tabla 2
Parámetros de diseño.

DESARROLLO

A. ANÁLISIS DEL DATA SHEET DE UN TRANSISTOR.

Parámetros

Unidad

IC q

2 .00

...
2° Paso. Se desarrollan las ecuaciones planteadas y se
obtiene:
Rc =

Vcc − VCEq
ICq

RC =

12v − 5v
= 3.50 kΩ
2.0 mA

IB ...
𝑉𝐸
3 𝑉
3 𝑉
=
=
= 1.5 𝑘Ω
𝐼𝐸
𝐼𝐶
2.0 𝑚𝐴

𝑅𝐸 =

𝑉𝑐𝑐 − 𝑉 𝐶𝐸𝑞 − 𝑅 𝐸 𝐼 𝐸
𝐼 𝐶𝑞

𝑅𝐸 =

𝑅𝐶 =

Q dado, se obtendrán las mismas rectas...
16.

𝑅2 =

17.

𝑅 𝐵 ∙ 𝑉𝑐𝑐
𝑉 𝐵𝐵

𝑅1 =

Luego, el punto de operación:


𝑅𝐵
1−

𝑉 𝐵𝐵
𝑉𝑐𝑐

𝑉 𝐶𝐸𝑞



𝐼 𝐶𝑞

𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙

𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙

=
=
...
Tabla 4
Parámetros del circuito de polarización fija obtenidos.

Parámetros
IB

2.000

mA

VBE

0.550

V

VCE

Obteniendo ...
Fig. 15. Respuesta de tensión, Circuito estabilizado en emisor,
simulado en Psim®.

Cuyos resultados se resumen a continua...
Obteniendo los resultados mostrados en las figuras 20 y 21.

Tabla 9
Parámetros del circuito de colector común obtenidos.
...
24. Icq max = 220 ∙ 14.380 μA = 3.1694 mA
Por lo que implica que:
Vceq

min

= 7.9726 V

Vceq max = 0.9071 V
Finalmente, s...
Fig. 25. Recta de Carga del circuito de configuración colector común.

Donde:
 QIDEAL: (6.00 v , 1.71 mA)
 QMAX: ( 4.668...
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En el presente escrito se presenta, desarrolla y soluciona, con el respaldo teórico correspondiente, problemas con respecto al análisis de Data Sheet para un Transistor NPN BC 548 encapsulado TO-92. Se definen cada una de sus características y se finaliza con la solución de los problemas planteados, detallando paso a paso su construcción, y comprobando con un simulador computacional.

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Transistor NPN BC 548 encapsulado TO-92

  1. 1. Transistor NPN BC 548 encapsulado TO-92 Rodrigo Ernesto Ulloa Gaete Estudiante Ingeniería Civil Eléctrica. Universidad de Concepción. rodrigoulloa@udec.cl Abstract- En el presente escrito se presenta, desarrolla y soluciona, con el respaldo teórico correspondiente, problemas con respecto al análisis de Data Sheet para un Transistor NPN BC 548 encapsulado TO-92. Se definen cada una de sus características y se finaliza con la solución de los problemas planteados, detallando paso a paso su construcción, y comprobando con un simulador computacional. INTRODUCCIÓN Los transistores son dispositivos electrónicos semiconductores utilizados principalmente como amplificadores y como conmutadores. Estos se dividen en dos tipos: los BJT (Bipolar Junction Transistor) y los FET (Field Effect Transistor), que se diferencian en sus estructuras y los principios físicos que controlan la relación voltaje y corriente. Los BJT, figura 1, tienen terminales denominados emisor, colector y base, y se componen de tres materiales semiconductores alternados: dos tipo p y uno tipo n (pnp) o dos tipo n y uno tipo p (npn). El transistor BJT opera como un amplificador de corriente controlado por la corriente de base, con ganancia ß. El BJT tiene tres regiones de operación que se clasifican según su aplicación. Los estados de saturación y corte permiten utilizar el BJT como un conmutador en aplicaciones de electrónica de potencia o como interruptor de potencia en fuentes de poder conmutadas de baja frecuencia. La descripción de estas regiones es la siguiente: • Región de Corte: Es cuando IB = 0, por lo tanto Ic = IE = 0. En este caso el voltaje VCE es igual al voltaje de alimentación VCC. • Región de Saturación: Es cuando IB es lo suficientemente grande como para provocar que VCE tienda a cero. En este caso IC es máxima. El otro estado permite utilizar el BJT como un amplificador y es el siguiente: • Región Activa: En esta zona el transistor opera como amplificador de señales alternas, verificándose la relación de ganancia de corriente. Para transistores tipo BJT la amplificación de señal es lineal, lo que quiere decir que existe una relación directa entre salida y entrada. Esta relación es la ganancia del transistor, que es un valor que varía dependiendo del modelo de transistor a ocupar. Por otra parte, los transistores FET, figura 2, tienen terminales denominados Gate (Compuerta), Drain (Drenaje) y Source (Fuente) y se puede componer de dos formas: una parte de un semiconductor tipo n y dos regiones con impurezas tipo p unidas (JFET canal n) o un canal de material tipo p y las regiones con impurezas son de tipo n (JFET canal p). El JFET opera como un amplificador de corriente controlado por voltaje aplicado entre compuerta y fuente. Los JFET tienen 3 regiones de operación, las cuales se resumen a continuación. • Región de Ruptura: Cuando el voltaje entre Drain y Source (VDS) crece más allá del estrangulamiento, se llega a un punto donde VDS se vuelve tan grande que ocurre la ruptura de avalancha del transistor, que destruye el dispositivo por el incremento abrupto de la corriente ID • Región de Saturación o Activa: La región entre el voltaje de estrangulamiento y la ruptura de avalancha se denomina región activa. Esta región es útil para aplicaciones de amplificación lineal de señales. En esta región ID se satura y su valor depende de VGS. Para transistores tipo FET la amplificación de señal es no lineal y se ve claramente al graficar la ecuación de Shockley, que caracteriza a los FET, en especial al JFET, aunque también al MOSFET tipo decremental. [1] Fig.1. Representación Transistor NPN. Fig.2. Representación Transistor FET. OBJETIVOS Los objetivos perseguidos en este trabajo son el diseño de redes de polarización que permitan operar transistores en modo activo, en especial, un BJT, para ser utilizado como amplificador. Y además, obtener los parámetros reales de operación de éstos de modo matemático, a través de la obtención de las características del Data Sheet del Transistor para finalmente comprobar dichos resultados con software de apoyo. 1
  2. 2. Tabla 2 Parámetros de diseño. DESARROLLO A. ANÁLISIS DEL DATA SHEET DE UN TRANSISTOR. Parámetros Unidad IC q 2 .00 mA VCE q La primera actividad consiste en el análisis de un Data Sheet, para un Transistor NPN BC 548 encapsulado TO 92, del cual se determinan las condiciones para una temperatura de 25°C, a menos que se indique lo contrario. Luego se resumen en la siguiente tabla los valores más característicos. Valor Punto Q 5.00 V Alimentación y Carga VCC Parámetros VCE VCE(sat) VCB VBE VBE(sat) IC PD 𝛽 DC 𝛽 AC Valor VMÁX : 30.0 V(BR)CEO : 30.0 Para: (*) Ic : 10mA, IB: 0.5mA : 0.09 Ic : 100mA, IB: 5.0mA : 0.2 Ic : 10mA, IB: ** : 0.3 VMÁX.: 30.0 V(BR)CBO : 30.0 VMÁX.: 6.0 V(BR)EBO : 6.0 VBEsat min : 0.55 VBEsat max : 0.70 IC.: 100.0 ICES max. : 15.0 ICES typ. : 0.2 VMÁX.: 625 ± 5 VMÁX: 1.5 ± 0.012 𝛽 DCmin : 110 𝛽 DCmax : 800 𝛽 AC min : 125 𝛽 ACmax : 900 V V mADC nA nA mW/°C W/°C V V V VDC V VDC V V 0.55 V VCE (sat) 0.20 V 𝛽 DC min Unidad VDC V 12.0 VBE min Tabla 1 Parámetros Transistor NPN BC 548 encapsulado TO 92. 110 Y se comprueba además que se trata de circuitos que estarán dentro de los límites de operación al determinar el nivel máximo de disipación: 𝑃 𝐶𝑚𝑎𝑥 = 𝑉 𝐶𝐸𝑞 ∙ 𝐼 𝐶𝑞 = 10 𝑚𝑊 1. CONFIGURACIÓN EMISOR COMÚN, CON POLARIZACIÓN FIJA. A continuación, se proceden a determinar los valores de las resistencias para posteriormente de determinar la Recta de Carga del circuito de polarización fija, junto a su punto de operación ideal. 1° Paso. Se analiza el circuito de polarización fija, mostrado en la figura 3. * Corresponde a los valores típicos del VCE (SAT) ** IB es evaluada para IC=11mA y Vce = 1.0v. Para el cálculo de los valores que determinan la red de polarización se necesita el 𝛽 del transistor. Al buscar el dicho valor se obtienen valores dentro de un amplio rango dado por el Data Sheet. Sin embargo se podría prestar atención a las curvas presentes en estos últimos, donde es posible estimar los 𝛽, el cual sería utilizado en el desarrollo del trabajo. Por supuesto que se espera un comportamiento del transistor fiel a sus curvas características y a los datos tabulados que, aunque son estáticos, entregan los rangos de valores válidos.[3] En el siguiente desarrollo, sólo se toman en cuenta valores obtenidos y resumidos en la Tabla 1. Fig. 3. Configuración Emisor Común, con polarización fija. En el cual, se plantean dos LVK y la relación correspondiente a la ganancia de corriente, para modelar completamente el circuito. 1. 𝑉𝑐𝑐 − 𝑅 𝐵 𝐼 𝐵 − 𝑉 𝐵𝐸𝑚𝑖𝑛 = 0 B. DISEÑO AMPLIFICADOR. Para el desarrollo de las configuraciones dadas, se consideraron los parámetros, mostrados en la siguiente tabla. 2. 𝑉𝑐𝑐 − 𝑅 𝑐 𝐼 𝑐𝑞 − 𝑉 𝐶𝐸𝑞 = 0 3. 𝛽 𝐷𝐶𝑚𝑖𝑛 = 𝐼 𝐶𝑞 𝐼𝐵 2
  3. 3. 2° Paso. Se desarrollan las ecuaciones planteadas y se obtiene: Rc = Vcc − VCEq ICq RC = 12v − 5v = 3.50 kΩ 2.0 mA IB = 2.0 mA = 18.18 μA 110 RB = RB = condición de excursión máxima simétrica. Evidentemente esta es una condición de diseño que asegurará el máximo margen del punto Q a incrementos de cualquier signo de la intensidad de colector. Sin embargo, hay muchas otras condiciones de operación del transistor que exige un desplazamiento de Q en uno u otro sentido. En estos casos la situación del punto Q estará definida por las diferentes restricciones de diseño [3]. 2. CONFIGURACIÓN EMISOR COMÚN, CON ESTABILIZACIÓN DEL EMISOR. Vcc − VBEmin IB 11.45 V = 629.81 kΩ 18.18μA 3° Paso. Se plantea la Recta de Carga del circuito, pero primero se calcula del Punto de operación Q ideal, que se determina a partir de la ecuación 2. La cual, se infiere que:   𝑉 𝐶𝐸 𝑚𝑎𝑥 = 𝑉 𝐶𝐶 = 12 𝑉 , 𝑐𝑜𝑛 𝐼 𝑐 = 0 𝑉 𝐼 𝐶 𝑚𝑎𝑥 = 𝐶𝐶 = 3.428 𝑚𝐴 , 𝑐𝑜𝑛 𝑉 𝐶𝐸 = 0 𝑅𝐶 Luego, el punto de operación ideal es:  𝑉 𝐶𝐸𝑞 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = 12 𝑉 2 =6 𝑉 Fig. 5. Configuración Emisor Común, Estabilizado en Emisor.  𝐼 𝐶𝑞 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = 3.428 𝑚𝐴 2 = 1.71 𝑚𝐴 Finalmente, se compara con el punto de operación dado, obteniendo la siguiente gráfica: 1° Paso. Para la construcción del diseño del circuito Estabilizado en emisor, se comienza, al igual que en el circuito anterior, planteando dos LVK, la relación correspondiente a la ganancia de corriente y las suposiciones para este tipo de configuración: 4. 5. A partir del gráfico, se infiere que el transistor está operando en la mitad superior de la recta de carga, o sea está más próximo al estado de saturación si llega a la corriente máxima, por lo tanto, como solución se propone variar el 𝛽 del circuito para cual el punto de operación alcance la 𝛽 𝐷𝐶𝑚𝑖𝑛 = 7. Donde:  QIDEAL: (6.00v , 1.71 mA)  QDADO: ( 5.00v, 2.00 mA) 𝑉𝑐𝑐 − 𝑅 𝑐 𝐼 𝑐𝑞 − 𝑉 𝐶𝐸𝑞 − 𝑅 𝐸 𝐼 𝐸 = 0 6. Fig. 4. Recta de Carga del circuito de polarización fija. 𝑉𝑐𝑐 − 𝑅 𝐵 𝐼 𝐵 − 𝑉 𝐵𝐸𝑚𝑖𝑛 − 𝑅 𝐸 𝐼 𝐸 = 0 𝑉𝐸 = 𝑅 𝐸 𝐼 𝐸 8. 𝐼𝐶 ≈ 𝐼𝐸 9. 𝐼 𝐶𝑞 𝐼𝐵 𝑉 𝐶𝐶 4 𝑉𝐸 = 2° Paso. Se desarrollan las ecuaciones planteadas y se obtiene: 𝑉 12𝑣 𝑉 𝐸 = 𝐶𝐶 = =3V 4 4 3
  4. 4. 𝑉𝐸 3 𝑉 3 𝑉 = = = 1.5 𝑘Ω 𝐼𝐸 𝐼𝐶 2.0 𝑚𝐴 𝑅𝐸 = 𝑉𝑐𝑐 − 𝑉 𝐶𝐸𝑞 − 𝑅 𝐸 𝐼 𝐸 𝐼 𝐶𝑞 𝑅𝐸 = 𝑅𝐶 = Q dado, se obtendrán las mismas rectas de carga. Esto debido que se consideraron los mismos parámetros de operación para ambos circuitos. 12𝑣 − 5𝑣 − (2.0𝑚𝐴 ∙ 1.5𝑘Ω) = 2.0𝑘Ω 2.0 𝑚𝐴 2.0 𝑚𝐴 𝐼𝑏 110 = 𝐼𝐵 = 2.0 𝑚𝐴 = 18.18 𝜇𝐴 110 𝑅𝐵 = 1. CONFIGURACIÓN COLECTOR COMÚN. Se desea diseñar un amplificador en configuración colector común, la cual se utiliza sobre todo para propósitos de acoplamiento de impedancia, como la mostrada en la figura 7. 𝑉𝑐𝑐 − 𝑉 𝐵𝐸𝑚𝑖𝑛 − 𝑅 𝐸 𝐼 𝐸 𝐼𝐵 𝑅𝐵 = C. DISEÑO AMPLIFICADOR 2. 8.45 𝑉 = 464.79 𝑘Ω 18.18𝜇𝐴 3° Paso. Se plantea la Recta de Carga del circuito, junto a su Punto de operación Q ideal, que se determina a partir de la ecuación 5. La cual, se infiere que:   𝑉 𝐶𝐸 𝑚𝑎𝑥 = 𝑉 𝐶𝐶 = 12 𝑉 , 𝑐𝑜𝑛 𝐼 𝑐 = 0 𝑉 𝐶𝐶 𝐼 𝐶 𝑚𝑎𝑥 = = 3.428 𝑚𝐴 , 𝑐𝑜𝑛 𝑉 𝐶𝐸 = 0 𝑅 𝐶 + 𝑅𝑒 Luego, el punto de operación:  𝑉 𝐶𝐸𝑞  𝐼 𝐶𝑞 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = = 12 𝑉 2 Fig. 7. Configuración Colector Común. =6 𝑉 2 3.428 𝑚𝐴 = 1.71 𝑚𝐴 Finalmente, se compara con el punto de operación dado, obteniendo la siguiente gráfica: Fig. 6. Recta de Carga del circuito estabilizado en Emisor. Donde:  QIDEAL: (6.00v , 1.71 mA)  QDADO: ( 5.00v, 2.00 mA) A partir del gráfico, se infiere que independiente de la configuración de emisor común que se realice, para un punto 1° Paso. Para la modelación del diseño del circuito Colector Común, se comienza, simplificando el actual circuito de la figura 7, el cual se reduce a un equivalente de Thevenin entre el nodo 1 y 2, con la suposición que 𝐼 𝐵 , es prácticamente despreciable, por lo tanto, se trata a R1 y R2 como resistencias en serie, ya que la corriente que pasa por la resistencia 2 será similar a la corriente que pase por la resistencia 1. Por lo tanto, se construye un circuito como el mostrado en la figura 8. El cual, se modela planteando dos LVK, la relación correspondiente a la ganancia de corriente y las suposiciones para este tipo de configuración, además se considera el criterio de la Estabilidad Térmica, en la ecuación 14, para luego, a través de las ecuaciones 16 y 17, volver al circuito original. 10. 𝑉 𝐵𝐵 − 𝑅 𝐵 𝐼 𝐵 − 𝑉 𝐵𝐸𝑚𝑖𝑛 − 𝑅 𝐸 𝐼 𝐸 = 0 12. 𝑉𝑐𝑐 − 𝑉 𝐶𝐸𝑞 − 𝑅 𝐸 𝐼 𝐸 = 0 𝐼 𝐶𝑞 13. 𝛽 𝐷𝐶𝑚𝑖𝑛 = 𝐼𝐵 14. 𝑅 𝐵 = 0.1 ∙ 𝑅 𝐸 ∙ 𝛽 15. 𝐼 𝐶 ≈ 𝐼 𝐸 4
  5. 5. 16. 𝑅2 = 17. 𝑅 𝐵 ∙ 𝑉𝑐𝑐 𝑉 𝐵𝐵 𝑅1 = Luego, el punto de operación:  𝑅𝐵 1− 𝑉 𝐵𝐵 𝑉𝑐𝑐 𝑉 𝐶𝐸𝑞  𝐼 𝐶𝑞 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 𝑖𝑑𝑒𝑎𝑙 = = 12 𝑉 =6 𝑉 2 3.428 𝑚𝐴 2 = 1.71 𝑚𝐴 Finalmente, se compara con el punto de operación dado, obteniendo la siguiente gráfica: Fig. 9. Recta de Carga del circuito de colector común. Fig. 8. Configuración Colector Común, reducido. Cabe notar que VBB corresponde al VTH, y que RB corresponde al RTH, entre la tensión de alimentación y las resistencias R1 y R2, del circuito completo presentado en la figura 8. 2° Paso. Se desarrollan las ecuaciones planteadas y se obtiene: 𝑅𝐸 = 𝑉 𝐶𝐶 − 𝑉 𝐶𝐸𝑚𝑖𝑛 12𝑣 − 5𝑣 = = 3.5 𝑘Ω 𝐼𝐸 2.0 𝑚𝐴 2.0 𝑚𝐴 110 = 𝐼𝑏 2.0 𝑚𝐴 𝐼𝐵 = = 18.18 𝜇𝐴 110 𝑅 𝐵 = 0.1 ∙ 3.5 𝑘Ω ∙ 110 = 38.5 𝑘Ω Donde:  QIDEAL: (6.00v , 1.71 mA)  QDADO: ( 5.00v, 2.00 mA) En el gráfico se obtiene lo esperado, y queda demostrado que, independiente de la configuración que se realice, ya sea emisor común, base común o colector común, para un punto Q dado, se obtendrán las mismas rectas de carga. Esto debido a que se consideran los mismos parámetros para todos los circuitos. D. SIMULACIÓN DE LOS DISEÑOS DE AMPLIFICACIÓN. Cabe mencionar, que para todas las configuraciones se utilizó el software PSIM®, para simulaciones. Además que el análisis y diseño de los amplificadores se realizó sólo para la respuesta DC del circuito y tomando en cuenta los límites de operación planteados en el Data Sheet. Sin embargo, no se consideró la respuesta AC del circuito, por lo tanto se espera que los resultados obtenidos sean líneas rectas en cada gráfica simulada. 𝑉 𝐵𝐵 = 𝑅 𝐵 𝐼 𝐵 + 𝑉 𝐵𝐸𝑚𝑖𝑛 + 𝑅 𝐸 𝐼 𝐸 𝑉 𝐵𝐵 = 0.7 + 0.55 𝑉 + 7 𝑉 = 8.25V 𝑅 𝐵 ∙ 𝑉𝑐𝑐 462𝑘Ω𝑉 = = 56.0𝑘Ω 𝑉 𝐵𝐵 8.25𝑉 𝑅𝐵 38.5𝑘Ω 𝑅1 = 𝑉 𝐵𝐵 = 8.25𝑉 = 123.2𝑘Ω 𝑅2 = 1− 𝑉 𝑐𝑐 1− 1. CONFIGURACIÓN DE EMISOR COMÚN, CON POLARIZACIÓN FIJA. Simulando con los parámetros obtenidos anteriormente, el circuito mostrado en la figura 9, se obtienen las gráficas mostradas a continuación. 12𝑉 3° Paso. Se plantea la Recta de Carga del circuito, junto a su Punto de operación Q ideal, que se determina a partir de la ecuación 2. La cual, se infiere que:   𝑉 𝐶𝐸 𝑚𝑎𝑥 = 𝑉 𝐶𝐶 = 12 𝑉 , 𝑐𝑜𝑛 𝐼 𝑐 = 0 𝑉 𝐼 𝐶 𝑚𝑎𝑥 = 𝐶𝐶 = 3.428 𝑚𝐴 , 𝑐𝑜𝑛 𝑉 𝐶𝐸 = 0 𝑅𝑒 5
  6. 6. Tabla 4 Parámetros del circuito de polarización fija obtenidos. Parámetros IB 2.000 mA VBE 0.550 V VCE Obteniendo los resultados mostrados en las figuras 11 y 12. Unidad 𝜇𝐴 IC Fig. 10. Circuito de polarización fija, simulado en Psim®. Valor 18.18 5.000 V Se aprecia que los valores simulados son bastante parecidos a los obtenidos matemáticamente. Por lo tanto, se esperaría que el punto de operación sea similar al calculado anteriormente diferenciándose en la máxima excursión de señal, ya que cambiara levemente el punto en el cual comienza a ocurrir la distorsión y además cambiará la recta de carga, ya que se mantiene constante la señal de IC , y disminuye el VCE. 2. CONFIGURACIÓN DE EMISOR COMÚN, CON ESTABILIZACIÓN DEL EMISOR. Simulando con los parámetros obtenidos anteriormente, el circuito mostrado en la figura 13, se obtienen las gráficas mostradas a continuación. Fig. 11. Respuesta de corriente, Circuito de polarización fija, simulado en Psim®. Fig. 12. Respuesta de tensión, Circuito de polarización fija, simulado en Psim®. Cuyos resultados se resumen a continuación: Tabla 3 Parámetros del circuito de polarización fija simulados. Parámetros IB Valor 18.18 2.000 mA VBE 0.550 V VCE 4.997 Obteniendo los resultados mostrados en las figuras 14 y 15. Unidad 𝜇𝐴 IC Fig. 13. Circuito de estabilización del emisor, simulado en Psim®. V Comparando con los resultados obtenidos anteriormente. Fig. 14. Respuesta de corriente, Circuito Estabilizado al emisor, simulado en Psim®. 6
  7. 7. Fig. 15. Respuesta de tensión, Circuito estabilizado en emisor, simulado en Psim®. Cuyos resultados se resumen a continuación: Fig. 16. Circuito de Colector Común reducido, simulado en Psim®. Tabla 5 Parámetros del circuito de Estabilizado en emisor, simulados. Parámetros IB Valor 18.14 IC 1.996 mA IE 2.013 mA VBE 0.550 V VCE 4.987 Obteniendo los resultados mostrados en las figuras 17 y 18. Unidad 𝜇𝐴 V Comparando con los resultados obtenidos matemáticamente. Fig. 17. Respuesta de corriente, Circuito colector común reducido, simulado en Psim®. Tabla 6 Parámetros del circuito de Estabilizado en emisor, obtenidos. Parámetros IB Valor 18.18 Unidad 𝜇𝐴 IC 2.000 mA IE 2.000 mA VBE 0.550 V VCE 5.000 V Se aprecia que algunos valores simulados son similares a los obtenidos matemáticamente con algunas variaciones debidas a la suposición de que IC = IE, pero respecto a la configuración de polarización fija, se obtiene un punto de operación más cercano al ideal, al disminuir la corriente de colector y mantenerse el VCE, relativamente constante. Ya que al contener un resistor en el emisor, se mejora el nivel de estabilidad respecto al de la configuración de polarización fija, en análisis DC. [1] 3. Fig. 18. Respuesta de tensión, Circuito colector común reducido, simulado en Psim®. En la tabla 7, se resumen los parámetros encontrados, tanto para las corrientes como las tensiones. A continuación se simula el circuito original, sin el equivalente de Thevenin. CONFIGURACIÓN DE COLECTOR COMÚN. Simulando con los parámetros obtenidos anteriormente los circuitos mostrados en las figuras 16 y 17, se obtienen las gráficas mostradas a continuación de las cuales se hace una comparación. Fig. 19. Circuito de Colector Común, simulado en Psim®. 7
  8. 8. Obteniendo los resultados mostrados en las figuras 20 y 21. Tabla 9 Parámetros del circuito de colector común obtenidos. Parámetros IB Unidad 𝜇𝐴 IE 2.000 mA VBE 0.550 V VCE 5.000 V VBB Fig. 20. Respuesta de corriente, Circuito colector común, simulado en Psim®. Valor 18.18 8.249 V Todos estos datos son determinados, a partir, de un 𝛽 = 110, como el mínimo especificado en el Data Sheet. Luego, no se aprecia una clara variación en los parámetros del circuito de colector común reducido, pero sí en los del colector común no reducido, esto debido a las suposiciones que se realizaron, en especial, sobre la corriente de base comentada anteriormente. E. DETERMINACIÓN A VARIACIONES DE 𝛽 . Fig. 21. Respuesta de tensión, Circuito colector común, simulado en Psim®. En la tabla 8, se resumen los parámetros encontrados. Tabla 7 Parámetros del colector común reducido, simulados. Parámetros IB Valor 18.03 Unidad 𝜇𝐴 IE 2.002 mA VBE 0.550 V VCE 4.994 V VBB 8.249 V Tabla 8 Parámetros del colector común, simulados. Parámetros IR1 Valor 61.3292 Unidad 𝜇𝐴 IR2 79.3636 𝜇𝐴 IC 1.9855 𝑚𝐴 IE 2.0016 𝑚𝐴 IB 18.035 𝜇𝐴 VBE 0.550 4.99436 V VBB 7.5564 V 1. CONFIGURACIÓN EMISOR COMÚN, CON POLARIZACIÓN FIJA. A continuación, se proceden a determinar los valores de los puntos de operación máximo y mínimo, para este tipo de circuito, con las ecuaciones 1, 2 y 3. 18. IB = VCC − VBE = 18.18 μA RB 19. Icq min = 55 ∙ 18.18 μA = 0.999 mA 20. Icq max = 220 ∙ 18.18 μA = 3.999 mA V VCE Para los circuitos analizados en las figuras 3, 5 y 8. Si estos se pretenden diseñar a gran escala, se determinará la variación de la corriente del colector a un 𝛽 𝑚𝑖𝑛 = 55 y 𝛽 𝑚𝑎𝑥 = 220. Con los datos de resistencias obtenidos anteriormente. Por lo que implica que: Vceq min = 8.504 V Vceq max = −1.997 V Finalmente, se compara con el punto de operación dado, obteniendo la siguiente gráfica: Comparando con los resultados obtenidos matemáticamente. 8
  9. 9. 24. Icq max = 220 ∙ 14.380 μA = 3.1694 mA Por lo que implica que: Vceq min = 7.9726 V Vceq max = 0.9071 V Finalmente, se compara con el punto de operación dado, obteniendo la siguiente gráfica: Fig. 22. Recta de Carga del circuito de polarización fija. Donde:  QIDEAL: (6.00v , 1.71 mA)  QMAX: ( -2.00v, 3.99 mA)  QMIN: ( 8.50v, 0.99 mA) A partir del gráfico se aprecia que no es un buen circuito estabilizador, al obtener un valor negativo del VCE, lo cual significa que el transistor está en zona de saturación y con un aumento considerable de IC. Por lo tanto, queda demostrado que se debe tener mucho cuidado al momento de variar la relación de ganancia de corriente, como se observa en la figura 23, del cual se podría haber estimado la ganancia a utilizar, para el punto Q dado. Fig. 24. Recta de Carga del circuito estabilizado al emisor. Donde:  QIDEAL: (6.00 v , 1.71 mA)  QMAX: ( 0.9071 v, 3.1694 mA)  QMIN: ( 7.9726 v, 1.1507 mA) A partir del gráfico se infiere que se logra la estabilización al momento de agregar una resistencia en el emisor, respecto de la configuración de polarización fija, ya que reduce el nivel de saturación, utilizando el mismo resistor del colector. Sin embargo, la variación grande de 𝛽, aún sigue influenciando de gran medida en el punto de operación. 3. CONFIGURACIÓN COLECTOR COMÚN. A continuación, se proceden a determinar los valores de los puntos de operación máximo y mínimo, para este tipo de circuito, con las ecuaciones 4, 5 y 6. Fig. 23.Curva de Ganancia, Data Sheet. 2. CONFIGURACIÓN EMISOR COMÚN, ESTABILIZADO EN EMISOR. A continuación, se proceden a determinar los valores de los puntos de operación máximo y mínimo, para este tipo de circuito. 21. IB min = VCC − VBE = 20.863 μA R B − R B ∙ 𝛽 𝑚𝑖𝑛 22. IB max = VCC − VBE = 14.380 μA R B − R B ∙ 𝛽 𝑚𝑎𝑥 23. Icq min = 55 ∙ 20.863 μA = 1.1507 mA 25. Icq min = 7.7 V = 1.83 mA 38.5 3.5 kΩ + kΩ 55 26. Icq max = 7.7 V = 2.09 mA 38.5 3.5 kΩ + kΩ 220 Por lo que implica que: Vceq min = 5.595 V Vceq max = 4.668 V Finalmente, se compara con el punto de operación dado, obteniendo la siguiente gráfica: 9
  10. 10. Fig. 25. Recta de Carga del circuito de configuración colector común. Donde:  QIDEAL: (6.00 v , 1.71 mA)  QMAX: ( 4.668 v, 2.09 mA)  QMIN: ( 5.595 v, 1.83 mA) A partir del gráfico, se observa claramente que éste circuito corresponde al más estable de los analizados anteriormente, ya que al hacer variar la ganancia de corriente 𝛽 al doble y al mínimo, el punto de operación se mantiene en un margen muy pequeño en comparación a los otros, apreciado en la figura 25. Ya que cualquier circuito de polarización debe diseñarse para establecer la operación del dispositivo en cualquiera de los puntos que están dentro de la región activa, o sea que estén dentro de los márgenes de la recta de carga y sobretodo más próximos al punto Q ideal, para tener menor distorsión en la salida. Aunque el BJT puede estar en polarización para operar fuera de los límites máximos como se observó en la figura 22, pero el resultado de tal operación podría ser un importante recorte con la vida del dispositivo semiconductor. F. impedancia de entrada, necesitándose luego otra etapa para la amplificación de la señal propiamente tal.[4] Cuando se habla de la máxima excursión de señal, es acerca del punto en el cual comienza la distorsión. Esto es debido a que si la excursión de salida es demasiado grande, el transistor abandona la región de operación lineal y luego se apreciaría que la señal sale distorsionada. Otro factor importante a considerar, aunque no fue necesario para este trabajo, ya que sólo se consideraron las operaciones en DC. Es la temperatura, ya que afecta en gran medida a la ganancia de corriente del circuito en cualquier transistor 𝛽 𝐴𝐶 y la corriente de fuga del transistor 𝐼 𝐶𝐸𝑂 . Por último, cabe mencionar, que en el análisis por recta de carga, considerado para cada circuito, representa una mejor manera para la comprensión de estos dispositivos, al observar claramente las variaciones de 𝛽 y los niveles de corte, saturación y de región activa, que definen éste tipo de transistores. G. REFERENCIAS. [1]“Transistores de Unión Bipolar”- Prof. Eduardo Espinosa, Sebastián Godoy. [2] “Punto de trabajo de un transistor bipolar”- U. Nacional - año 2003. [3] ttp://www.unicrom.com/Tut_recta_carga_estatica_transistor_bipolar.asp [4]”Amplificadores con Transistores de efecto de Campo”Alberto Guillermo Lozano Romero- año 2009. CONCLUSIONES. Independiente del 𝛽 utilizado, se ha podido polarizar un BJT para su funcionamiento en zona activa, para las distintas configuraciones de emisor común y colector común. Obteniendo como resultado que el circuito de colector común a cualquier variaciones de 𝛽, corresponde al más estable, y no así el de emisor común estabilizado al emisor, como se suele pensar, ya que ésta configuración, al agregarle una resistencia en emisor, sólo corresponde a un nivel de mayor estabilización, pero respecto al de configuración de polarización fija. Pero como el parámetro 𝛽, es sensible a la temperatura, sería mejor hacer un circuito que fuera menos dependiente de él, ya que a veces no está bien definido. Por esto que el circuito de colector común al ser menos dependiente de 𝛽, que los de emisor común, presentan características más estables. Por otra parte, dadas las ganancias 𝛽, ya comentadas, se puede indicar que éste tipo de transistor (BJT) corresponde a un amplificador de corriente. Ya que al hacer variar el 𝛽, se aprecia el comportamiento particular de cada circuito, al observar cómo varía el punto de operación. Además ésta relación de corriente puede ser utilizada para aumentar la 10

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