Transistor bipolar

 

En general, las señales de radio o de TV que se reciben en una antena son muy débiles y no pueden conectarse directamente a los parlantes o al tubo de imagen de la televisión. Por lo tanto, es necesario amplificar la señal para que tenga suficiente energía. Antes de 1951, se utilizaban tubos al vacío para amplificación de señales, y aunque sus características de amplificación son muy buenas, también tienen varios inconvenientes. Primero, se requiere una potencia de 1 W o más para calentamiento interno o luz. Segundo, el fusible de luz puede funcionar solamente unos pocos miles de horas antes de quemarse. Tercero, ocupa más espacio. Cuarto, el calor generado por los tubos al vacío aumentan la temperatura interna del instrumento.
En 1951 se descubrió la primera unión p-n. Se trataba de un dispositivo que puede amplificar la señal de radio y TV. La ventaja del transistor es que se superan las inconveniencias del tubo al vacío. En primer lugar, no hay calor o luz, por lo que se requiere menos potencia. Segundo, su uso es ilimitado. Tercero, tiene poco volumen y ocupa menos espacio, y cuarto, un transistor genera muy poco calor, por lo que el aparato en el cual está instalado opera a bajas temperaturas.
El transistor se compone de tres capas de material semiconductor, y consta de tres terminales. Dependiendo del componente que sea el portador mayoritario, se pueden dividir en transistores bipolares y unipolares. Los primeros usan los electrones libres y lo agujeros que se mueven para conducir la corriente. El término “transistor” proviene de las dos palabras :”transfer resistor” en Inglés, o sea: “resistencia de transferencia”. De acuerdo con este término, se tiene que la corriente de entrada en el circuito de baja resistencia es transferida al  circuito  de salida de alta resistencia; por lo tanto se tiene un efecto de amplificación.

 

• Construcción y Símbolo del Transistor

Un transistor bipolar está formado por tres capas de material semiconductor. En el tipo de transistor NPN, se tiene una delgada capa de material semiconductor tipo p entre dos capas más gruesas de material semiconductor tipo n, como se muestra en la Fig. 14.1(a). Otro tipo de transistor es el PNP, donde se tiene una delgada capa de material semiconductor tipo n entre dos capas más gruesas de material semiconductor tipo p, como se muestra en la Fig. 14.1(b). No importa si se trata de transistores tipo NPN o PNP, siempre tendrán alambres metálicos que salen de los semiconductores y que se usan como conexiones al circuito. La parte izquierda del semiconductor es el electrodo que emite los portadores mayoritarios, por lo tanto se llama Emisor (E); el semiconductor de la región del medio es el que controla la cantidad de portadores mayoritarios que van al colector, y se llama Base (B). La región de semiconductor de la derecha es el electrodo que recoge los portadores mayoritarios que salen del emisor a través de la base, y se llama  Colector (C). En las tres capas que constituyen la construcción del semiconductor, cada transistor tiene dos uniones p-n como si fueran dos diodos  montados espalda contra espalda conectados entre sí, como se muestra en la Fig. 14.2
La unión p-n entre la región de emisión y la región de la base es la unión de emisón (unión E); la unión p-n entre la región de la base y la región del colector se denomina la unión del colector (unión C).

                              

 

 

En cuanto a la concentración de dopaje o de contaminación, el emisor tiene la concentración más alta, y luego le sigue el colector y con menos dopaje se tiene a la base (únicamente 1/10 o menos de lo que tienen los electrodos externos). El ancho de la base es generalmente de unos 0.001 de pulgada, y el ancho  entre el emisor y el colector es de aproximadamente 0.150 pulgada. Por lo tanto, el ancho de la base es de únicamente 1/150 del ancho total.

 

La idea es hacer que los portadores puedan pasar rápidamente a través de la base y lleguen al colector, y ofrecer suficiente espacio para que el colector recoja a los portadores de la base.

 

•       Principio Básico de Operación de la Base

Para usar transistores en un circuito de amplificación, es necesario aplicar las polarizaciones adecuadas a cada una de las dos uniones p-n. En esta sección usaremos un transistor n-p-n para explicar esto. El transistor n-p-n tiene características similares a las del p-n-p. Requerimos únicamente cambiar un electrón por un hueco e invertir la polaridad de la tensión y la dirección de la corriente.

En la Fig. 14.3 se muestran las conexiones  de una correcta polarización para transistores n-p-n y p-n-p. Nota: Ambas uniones B-E de estos dos transistores están bajo polarización directa, y las uniones B-C están ambas bajo polarización inversa. Las flechas apuntan de la tensión más alta a la más baja.

 
         Polarización                  Polarización                                      Polarización              Polarización
            Directa                            Inversa                                             Directa                       Inversa

Fig. 14.3 – Polarización Directa e Inversa en un Transistor

Cuando el transistor está bajo polarización directa e inversa, la polarización directa entre el emisor y la base hará que la región agotada de la unión B-E sea más angosta. la polarización inversa entre la base y el colector hará que la región agotada de la unión B-C sea más ancha, como se ve en la Fig. 14.4(a).

Existen numerosos electrones en las bandas de conducción de la región emisora de tipo n, que son fáciles de mover a través de la unión B-E y difundirse en la región de tipo p de la base.

En vista de que la concentración de dopaje es muy baja y que el ancho es muy pequeño en la región de la base, el número de huecos es limitado. El porcentaje de recombinación de dichos electrones en la unión B-E con los huecos será muy bajo. Los electrones que fluyen fuera de la base son los de tipo de valencia. Estos, generarán la pequeña cantidad de corriente de base IB, como se ve en la Fig. 14.4(b).

 

 

  

                          

 

 

La mayoría de los electrones del emisor se difundirán en la zona agotada B-C (unión del colector). El alto campo eléctrico inducido por los iones positivos y negativos en ambos lados de la región agotada B-C atraerán a los electrones a través de la unión B-C. Podemos visualizar esto como que los iones positivos atraen a los electrones a través de la unión B-C, como se muestra en la Fig. 14.4(c).
Los electrones que fluyen a través de la región del colector salen de éste y entran al terminal positivo de la fuente externa de tensión DC. Luego se convierten en la corriente de colector IC, como se muestra en la Fig.14.4(c ). La magnitud de la corriente de colector es directamente dependiente de la corriente de base, pero independiente de la tensión DC de colector.

• Corrientes del Transistor

 

La dirección de la corriente en un transistor n-p-n (generalmente se usa la dirección de la corriente y no la dirección del flujo de electrones) se dibuja tal como lo muestra la Fig.14.5(a). La dirección de la corriente en un transistor     p-n-p es la dirección que se muestra en la Fig.14.5(b). Nótese que la dirección de la flecha del emisor es la misma que se acostumbra para la dirección de la corriente.

De estos datos sabemos que la corriente del emisor es igual a la suma de la corriente de la base más la corriente del colector, lo cual se expresa como:

 

    

Fig.14.5 – Dirección acostumbrada de la corriente para los transistores.

 

• Parámetros y Capacidad de Transistores

 

En esta sección comenzaremos a estudiar la forma de aplicar la corriente adecuada de polarización en un transistor. Para el análisis de un circuito transistorizado empleamos dos parámetros importantes, que son bdc (ganancia de corriente DC) y adc. Introduciremos también la curva característica del transistor. Aprenderemos a determinar la función del transistor a partir de su curva característica, y finalmente discutiremos la capacidad (clasificación) del transistor.
Como se aprecia en la Fig. 14.6, n-p-n y p-n-p son las polarizaciones aplicadas, respectivamente. VBB es la unión base – emisor bajo polarización directa, y VCC es la unión base – colector bajo polarización inversa. 

 

            

Fig. 14.6 – Transistor bajo polarización

 

•      Beta DC (bdc) y  Alfa DC (adc)

La relación entre corriente del colector IC y corriente de base IB se llama ganancia de corriente DC bdc del transistor.

            
           

El valor típico de bdc es de unos 20 – 200 o aún mayor. En la hoja de datos de los transistores, generalmente se usa el valor hFE para indicarlo. 

 

La relación entre corriente del colector y corriente del emisor IE se llama adc

---Ver Libro de Texto---

El valor típico de adc está entre 0.95 – 0.99, siempre menor que 1.

 

14.3.2    Relación entre bdc y  adc

Dividiendo la ecuación de la corriente (14.1), IE = IC + IB entre IC, se tiene:

---Ver Libro de Texto---

Como bdc = IC / IB  y  adc = IC / IE, la ecuación anterior se convierte en:

 

---Ver Libro de Texto---

 

Reorganizándola se tiene:   ---Ver Libro de Texto---

En la Ecuación (14.4), si conocemos el valor de bdc, entonces podemos determinar el valor de adc. Utilice adc para expresar el valor de bdc en la ecuación anterior como:

 

---Ver Libro de Texto---

 

---Ver Libro de Texto---

Ejemplo 14.1. La corriente de colector IC de un transistor es de 2mA, la corriente de base IB es de 20mA. ¿Cuál es la ganancia de corriente DC, bdc del transistor?

Respuesta: Mediante la Ecuación (14.20):

---Ver libro de Texto---

Ejemplo 14.2. En un transistor IE = 1mA,   IC = 0.99 mA. Determine adc.

Respuesta: Mediante la Ecuación (14.3):

---Ver libro de Texto---

Ejemplo 14.3. En un transistor adc = 0.98, determine bdc.

Respuesta: Mediante la Ecuación (14.5):

---Ver libro de Texto---

 

•     Común del Circuito Emisor

 

En el circuito de la Fig.14.7, el terminal común ó terminal de tierra de cada una de las fuentes se conecta al emisor. Por esta razón a este circuito se le llama circuito de emisor común. En este circuito hay dos lazos, el izquierdo se llama circuito base (circuito de entrada), y el de la derecha se llama circuito colector (circuito de salida). En aplicaciones de baja potencia el rango de VBB está entre 5 y 15 V. En el circuito base se pueden usar diferentes valores de VBB y de Rb para controlarlo. Veremos que se pueden tener corrientes de base para controlar la corriente del colector. Por lo tanto cualquier corriente de base IB que cambie inducirá a su vez un cambio de corriente de colector IC.

 

En el circuito de colector se tiene un voltaje de entrada VCC y una resistencia limitadora de corriente RC, y la diferencia de potencial entre colector y emisor se puede expresar como VCE. La tensión de entrada VCC debe tener la polarización inversa en el diodo colector, pues de otra forma, el transistor no funcionará. Generalmente VCE debe ser mayor de 1V, para que pueda satisfacer la condición anterior. En el circuito de baja potencia, VCC generalmente está entre 1 y 15V.

 

 

  

            

Fig.14.7 – Circuito de emisor común

 

 

• Curva Característica de la Base

 

En el circuito mostrado en la Fig.14.7, ¿Qué aspecto cree usted que tendría la curva IB vs. VBE?. Se parece a la curva de un diodo rectificador normal, como se muestra en la Fig.14.8. Cuando deseamos observar la relación corriente vs. tensión de un diodo emisor, es necesario comprender la curva característica de corriente vs. tensión del diodo. A esto se le llama curva característica de la base (curva característica de entrada). Por lo tanto utilizaremos los modelos aproximados del diodo que se han visto anteriormente.

 

Por ejemplo cuando se está inspeccionando un circuito transistorizado, se puede considerar el diodo emisor como un diodo ideal. Esto le permitirá a usted obtener aproximada y rápidamente la corriente y la tensión. Sin embargo, si usted necesita un diseño muy preciso se debe tomar en cuenta la resistencia intrínseca del diodo emisor.

 

Generalmente, usted encontrará que el segundo modelo de aproximación es el mejor para diseñar el circuito. Su velocidad de cálculo es cercana a la del diodo ideal y la precisión es igual a la de la tercera aproximación. En general asumiremos que VBE = 0.7V para el modelo de segunda aproximación, como se muestra en la Fig.14.8.

 

 

                                               
Fig.14.8 – Curva Característica de la Base

 

La corriente de base IB en la Fig.14.7 se puede obtener a partir del siguiente cálculo. La tensión entre dos terminales de la resistencia base es igual a la diferencia entre la tensión de la fuente VBB y la tensión VBE de la base-emisor.

Por la Ley de Ohm podemos obtener la corriente base:

 

Sí en la tensión hay un único subíndice (VC, VE, VB) significa que la tensión en cualquier terminal del transistor está en función de la tierra. Sí hay doble subíndice en la tensión (VBE, VCE, VCB), esto significa la diferencia de tensión entre dos terminales del transistor. Podemos utilizar subíndices sencillos para indicar la tensión de doble subíndice. Por ejemplo, podemos expresar VCE en términos de VC menos VE.

                

Ejemplo 14.4. En el circuito de la Fig.14.7, VBB = 9V,  RB = 100 kW,  y            VBE = 0.7V. Determine la corriente de base IB.

Respuesta: Mediante la Ecuación (14.6) :

 

 

• Curva Característica del Colector

 

En la Fig.14.9 (a), podemos obtener IC vs. VCE mediante varios valores de la corriente de base IB, y a estas curvas las llamamos curvas características del colector (curva característica de salida).

 

   

Fig.14.9 – Curva característica de colector

 

Nota: VBB y VCC se pueden ajustar. Sí VBB está diseñado para generar un IB, y VCC = 0, entonces IC = 0, VCE = 0. Ahora podemos ajustar gradualmente el valor de VCC hacia un valor más alto, y luego VCE e IC se aumentarán también. Estos cambios se pueden observar entre los puntos O y B de la Fig.14.9(b).

 

Cuando VCE es aproximadamente 0.7V, la unión colector-base se encuentra bajo polarización inversa, y permitirá que IC=bBC IB alcance el valor máximo. Después de esto IC ya no aumentará cuando aumente VCE, y se mantendrá constante. Esto se muestra en la región del lado derecho de la curva B. De hecho, un aumento en VCE hará más ancha la región agotada en la unión colector-base, de tal forma que los huecos en la región de la base para recombinarse con los electrones, disminuirán. Esto hace que IC aumente ligeramente.

 

Utilice otro valor de IB para dibujar la figura y se obtendrán las curvas correspondientes de IC vs. VCE como se muestran en la Fig.14.9(c ). Estas curvas se convierten en las curvas características de ese transistor en particular.

 

Ejemplo 14.5. Dibuje la curva característica del colector del circuito que se muestra en la Fig. 14.10. Asúmase que bdc = 100, IB está entre 5mA y 25 mA, y que varía en incrementos de 5mA.

 

                          

 

                        
Fig. 14.11

 

•       Corte

Cuando IB = 0, el transistor está bajo condición de “corte”. En el transistor de la Fig. 14.12, la base está abierta, lo que hace que la corriente sea 0. Bajo esta condición existe solamente “corriente de portador caliente” ICE0 inducida por temperatura, y que es la “corriente directa de fuga” minoritaria para el colector.
En vista de que ICE0 es muy pequeña, por lo general se ignora para el cálculo de la calibración del circuito. Bajo situación de corte, las uniones base – emisor y base – colector están ambas bajo polarización inversa.

                                    

Fig. 14.12 – Corriente de fuga ICE0 del colector bajo estado de corte

 

• Saturación

Démosle una mirada al estado de saturación. En la Fig. 14.13(a), al incrementar VBB se aumenta también la corriente de la base (IB), y la corriente de colector (IC). VCE disminuye debido al aumento de tensión en RC.

 

 

                

Fig. 14.13

Cuando VCE alcanza el valor de VCE(sat), la unión base – colector se encuentra bajo polarización directa, y por lo tanto IC se mantiene constante cuando IB aumenta. Por lo tanto la relación IC = bdcIB no existe en el punto de saturación.

 

La tensión VCE(sat)  se da bajo el punto del codo de la curva del colector, en la región mostrada en la Fig. 14.13(b). Generalmente la tensión de saturación para un transistor de silicio es menor de un voltio (VCE(sat) = 0.2 V).

            

 

Ejemplo 14.6. Determine si el transistor de la Fig. 14.14 está bajo estado de saturación o no. Suponga que VCE(sat) = 0.2 V.

 

                
El resultado muestra que la corriente de base puede generar IC, la cual es más alta que VCE(sat) y por lo tanto el transistor está bajo estado de saturación, y la corriente del colector no será mayor que 11.5 mA. Al aumentar más IB, la corriente del colector permanece en su valor de saturación.

 

• Las Tres Regiones de Operación del Transistor

 

La curva mostrada en la Fig. 14.15 se puede dividir en tres regiones de operación. Primero, la región de VCE entre 1V y 40 V, que es la más importante debido a que el transistor generalmente trabaja en esta región. Aquí, el diodo emisor se encuentra bajo polarización directa y el diodo colector en polarización inversa. El colector recoge casi todos los electrones que van del emisor a la base. En esta región, la tensión del colector no afecta a la corriente del colector, y se llama “región activa”. La parte plana de la curva es la región activa.

Otra zona diferente de trabajo es la región de disrupción, donde el transistor no puede operar debido a que se dañaría. No está diseñado cono el diodo Zener, que puede trabajar en la región de disrupción.

Finalmente, en la porción de la curva que se eleva, VCE está entre 0 y aproximadamente 1V, y a esta zona se le llama “región de saturación”.

 

Aquí, el diodo colector no se encuentra bajo polarización inversa. Nota: en transistores de baja potencia, la parte aplanada de la curva puede estar en menos de 1V, como en el caso de la corriente de colector del 2N3904, que tiene 1 mA a 0.3V.

En todo caso, siempre habrá una región de saturación, una región activa y una región de disrupción, como se ve en la Fig. 14.15. Un transistor puede trabajar con seguridad en la región de saturación o en la región activa, pero nunca en la región de disrupción. En aplicaciones en las que el transistor se usa para amplificar señales débiles de radio o de TV, se debe operar en la región activa.

 

                            

Fig. 14.15

 

•       Más Acerca de bdc

 

bdc es un parámetro muy importante en el transistor bipolar, y es necesario entenderlo bien. Depende de la corriente del colector y de la temperatura. Si la temperatura en la unión se mantiene y se aumenta IC, entonces bdc llegará a el valor máximo. Sin embargo, si se aumenta IC todavía más, entonces bdc disminuye. Si IC se mantiene constante y se cambia la temperatura, entonces bdc variará en forma directa con el cambio de temperatura. Por lo tanto, bdc aumenta cuando lo hace la temperatura, y viceversa. Tal como se muestra en la Fig. 14.16, la bdc del transistor cambiará con IC y con la temperatura en la unión.

En la hoja de datos, generalmente se usa un IC específico para expresar el valor de bdc (hFE), a pesar de que con IC y la temperatura son constantes, bdc asume diferentes valores para los diferentes transistores.

El valor de bdc basado en IC es generalmente el valor mínimo. A veces se ofrecen como referencia los valores máximos y los valores típicos de bdc (min).

 

 

            

 

•        Aproximaciones.

Para poder diseñar y encontrar los problemas de un transistor, se deben desarrollar aproximaciones para investigar internamente a los transistores. Si no se tienen aproximaciones sencillas se empleará demasiado tiempo a la hora de buscar problemas en los circuitos con transistores. Si no se dispone de aproximaciones de alto nivel, los diseñadores entregarán circuitos a transistores con un bajo nivel de desempeño.

 

• Transistor Ideal

 

Si en el mundo existiera un transistor ideal o perfecto, ¿qué le sucedería a la curva de la Fig. 14.9(c )?        Primero, no habría región de disrupción, lo que significa que podríamos suministrar la tensión deseada a los terminales del colector – emisor. Segundo, ya no habría corriente de corte en el colector, lo que significa que la corriente del colector es igual a cero cuando IB = 0.
Tercero, ya no habría región de saturación y la región activa se extendería hasta la región de VCE = 0

La Fig. 14.17 muestra un diagrama mejorado con las características que acabamos de citar. ¿Cómo sería la curva de características base? La base – emisor del transistor es exactamente como la del diodo. Idealmente no habría potencial de barrera ni resistencia intrínseca. Como vimos antes con el diodo ideal, el transistor funciona como un interruptor, que está cerrado bajo polarización directa y abierto bajo polarización inversa.

 

                        

Fig. 14.17 – Curva característica del colector ideal

La Fig. 14.18 muestra los diagramas del transistor ideal. El terminal de entrada es el diodo ideal, y el de salida es la fuente de corriente. Esta generará corriente ideal, que es igual al producto de la ganancia de corriente por la corriente de la base:

   

 

•       Segunda Aproximación

 

Cuando la tensión suministrada al circuito colector es igual a veinte veces el potencial de barrera, o mayor de 14V, entonces el terminal de entrada actúa casi como un diodo ideal, siendo el error menor de un 5%. Sin embargo, la mayoría de las tensiones que se suministran son menores de 14V y por lo tanto generalmente se usa la segunda aproximación para el diodo emisor. Esto significa que es necesario usar 0.7V para calcular la corriente de base.

En la Fig. 14.19 se muestran los diagramas de segunda aproximación para transistores. La diferencia con la condición ideal es que se emplea esta segunda aproximación para expresar el diodo emisor, lo que significa que asumimos que se da una caída de tensión de 0.7 V en la unión de la base – emisor.

 

Fig. 14.19 – Modo de segunda aproximación

 

•     Tercera Aproximación

 

Para revisar y diseñar circuitos, es necesario comprender dos conceptos relacionados con la tercera aproximación: primero, existe una resistencia intrínseca en el diodo emisor. Por lo tanto, la caída de tensión entre la unión base – emisor es igual a la caída de tensión de la resistencia intrínseca más 0.7V. En transistores de baja potencia, esta tensión adicional es muy pequeña, y casi no influye en el VBE. En transistores de alta potencia, esta caída de tensión hará que VBE sea de más de 1 V.

Segundo, existe una resistencia intrínseca en el diodo colector, habiendo más de un 10% en la tensión de la resistencia. Generalmente esta tensión no tiene importancia, excepto cuando se está en la región de saturación. Para transistores de baja potencia, el voltímetro generalmente indicará que la tensión está entre 0.1 y 0.2 V.

Generalmente no es necesario comprender a fondo la tercera aproximación. Sin embargo, es necesario recordar que VBE puede ser mayor de 0.7V debido a la resistencia intrínseca en el emisor. Cuando VCE es ligeramente mayor de cero debido a que el transistor está en la región de saturación, entonces es necesario usar la tercera aproximación. Se puede usar el circuito establecido para medir el valor de VBE y usar este valor en lugar de 0.7V cuando se calcula el circuito base.

 

Ejemplo 14.7. ¿Cuál es la tensión del colector – emisor (VCE) para el circuito mostrado en la Fig. 14.20? (Asuma que se trata de un transistor ideal)

Respuesta:

            

 

                  
  

En el circuito de la Fig. 14.20, la corriente del emisor no tiene mucha importancia, por lo tanto se ignora en la mayoría de los casos. Sin embargo, para este ejemplo calcularemos la corriente del emisor, que es igual a la corriente del colector más la corriente de base:

            IE = 3.19 mA + 31.9 mA = 3.222 mA

Este valor está muy cercano al de la corriente de colector, lo cual constituye otra razón por la que no es necesario calcularlo. La mayoría de la gente aceptará que la corriente del emisor está cerca de los 3.19 mA, que es el valor del colector.

Ejemplo 14.8. ¿Cuál es la tensión colector – emisor en la Fig. 14.20 cuando usamos la segunda aproximación?

Respuesta: La tensión en el diodo emisor es:

            

Por lo tanto, la tensión en la RB es de 14.3V, que es igual a la diferencia entre 15V y 0.7 V.

La corriente en la base será:

IB = 14.3 V / 470 W = 30.4 mA

La corriente de colector es igual al producto de la ganancia de corriente y la corriente de base:

            IC = 100(30.4 mA) = 3.04 mA

La tensión colector – emisor es igual a:

            VCE = 15 – (3.04 mA) (3.6 kW) = 4.06 V

El resultado de esta respuesta tiene 0.5V más que el diodo modelo, pues varía de 3.52 a 4.06 V. Si esta mejora es importante queda a criterio de cada uno.

Ejemplo 14.9. Si el valor de VBE es de 1V, ¿cuál es la tensión colector – emisor (VCE) del circuito en la Fig. 14.20 cuando se usa la 3ª aproximación?

Respuesta: La tensión en RB es de 14V (de 15V a 1V), y la corriente de base se puede obtener a partir de la Ley de Ohm:

            IB = 14V / 470 kW = 29.8 mA

La corriente de colector es el producto de la ganancia de corriente y la corriente de base:

            IC = 100(29.8 mA) = 2.98 mA

La tensión colector – emisor es igual a:

            VCE = 15 – (2.98 mA) (3.6 kW) = 4.27 V

Ejemplo 14.10. Si la tensión de alimentación de la base es de 5V, ¿cuáles son las tensiones de colector – emisor (VCE) en los tres ejemplos anteriores?

Respuesta: para un diodo ideal:

---Ver Libro de Texto---

La segunda aproximación:

 

 

 

 

 

---Ver Libro de Texto---

La tercera aproximación:

---Ver Libro de Texto---

En este ejemplo podemos comprender la diferencia que hay entre las tres aproximaciones en condiciones de baja tensión de suministro. A partir de los resultados vemos que la diferencia está dentro de 1 Voltio, y por lo tanto, cuando se corrige el circuito se puede usar el análisis ideal. Sin embargo, si se desea diseñar el circuito, la segunda aproximación es la mejor. Si no se tiene una idea para escoger una aproximación, es mejor usar la segunda, que es adecuada para ambas aplicaciones.

 

• Acerca de la Hoja de Datos

Un transistor de señal reducida disipa menos de 0.5 W de potencia, y un transistor potente disipa más de 0.5 W. Por lo tanto, al leer la hoja de datos de un transistor, es necesario comenzar por la potencia máxima, ya que allí se describe la limitación del transistor en cuanto a tensión y corriente.

•     Capacidad de Disrupción

 

Las capacidades máximas de disrupción de un transistor 2N3904 en la hoja de datos es la siguiente:

---Ver Libro de Texto---

 

Estas tensiones se refieren a disrupción inversa. VCB es la tensión entre colector y base, y VCE0 es la tensión colector – emisor cuando la base se encuentra en circuito abierto. VEB es la tensión entre emisor – base. Por lo general, para seguridad, las tensiones de diseño no deben estar muy cerca de la capacidad máxima. En algunos dispositivos es fácil dañarlos si se operan cerca de la capacidad máxima.

 

•     Corriente y Potencia Máximas

Algunas de las características máximas del transistor tipo 2N3904 se indican a continuación:

---Ver Libro de Texto---

 

IC es la capacidad máxima en CD para la corriente del colector. Esto implica que el 2N3904 puede operar bajo los 200 mA de corriente directa. La capacidad es diferente para otras temperaturas. Si la temperatura ambiente es de 60º C, la capacidad máxima de potencia es de 250 mW. Para operación comercial, la temperatura está entre 0 y 60º C, y en la hoja de datos se consigna el límite de disipación bajo la peores de las condiciones a 60 º C.
Si la temperatura ambiente es de solamente 25º C, la capacidad de potencia puede ser hasta de 350 mV, y entre más baja sea la temperatura interna del transistor, será mauro la capacidad de potencia. La temperatura interna o de unión afectará las condiciones de trabajo del dispositivo. Con una temperatura externa menor se tendrá también una temperatura interna menor, y si la temperatura de operación del transistor se encuentra lejos de la temperatura en la cual se pueda dañar, será más fácil sacarle toda la capacidad de operación en cuanto a potencia.

 

•     Factor de Disminución

En la hoja de datos el factor de disminución da una idea de cómo reducir la potencia indicada del dispositivo. Por ejemplo, el factor de disminución del 2N3904 es de 2.8 mW / ºC, lo que significa que la potencia especificada se disminuye en 2.8 mW por cada grado Centígrado, a partir de los 350 mW, cuando la temperatura comienza a subir desde los 25 ºC.

 

• Disipadores de Calor

 

Una manera de aumentar la potencia especificada de un transistor es retirando el calor interno, para lo cual se usa un disipador. Si se puede incrementar el área del envase de un transistor, entonces será más fácil disipar el calor hacia el aire. En la Fig. 14.21(a) se muestra se muestra un disipador de calor, y cuando cubre el transistor, la forma de aletas aumentan el área de disipación del calor.

La Fig. 14.21(b) muestra otra manera de disipar el calor. Esta pieza de metal se puede sujetar a la cubierta de un instrumento electrónico y generalmente constituye un medio de disipar altas temperaturas. Por lo visto, es fácil disipar temperatura de la cubierta de un transistor.

En transistores de alta potencia, como el que se muestra en la Fig. 14.21(c ), el colector se debe conectar al exterior de la carcasa para disipar la mayor cantidad posible de calor. La cubierta exterior del dispositivo puede fijarse al bastidor del instrumento o aparato. Se puede colocar una lámina delgada de mica entre el transistor y el aparato para evitar que el colector forme cortocircuito contra la masa del aparato. En vista de que el calor generado por el transistor se puede disipar rápidamente, el transistor tiene un alto poder de disipación a la misma temperatura ambiente. Algunas veces, el transistor se fija a una amplia superficie con aletas, que actúa como disipador. Esto hace que el transistor disipe en forma más efectiva el calor.

El propósito de utilizar disipadores de calor es reducir la temperatura en la carcasa exterior del transistor, lo cual a su vez reduce la temperatura interna o de la unión. En las hojas de datos puede encontrarse la resistencia térmica, lo cual le permite al diseñador obtener la temperatura de la carcasa externa para diferentes tipos de disipador de calor.

                

Fig. 14.21 – (a) Disipador de tipo embebido; (b) transistor de tipo cubierta; (c) transistor de potencia cuyo colector está conectado a la carcasa externa.

•     Ganancia de Corriente

 

En algunos sistemas se usan los parámetros hFE en lugar de los bdc, pero ambos valores son iguales, es decir,

bdc = hFE                                                                                                       (14.9)

Debe recordarse que en la Ecuación (14.9), en la hoja de datos generalmente se usa hFE para indicar ganancia de corriente.

En la hoja de datos del 2N3094, se dan las siguientes datos en la parte de características:

                          

El 2N3904 puede trabajar muy bien cuando la corriente de colector es de unos 10 mA. Bajo esta corriente, la ganancia mínima de corriente es de 100 y la máxima es de 300. ¿Qué significa esto? Esto implica que si se necesitan muchos 2N3904 en el circuito trabajando a 10 mA, las ganancias de corriente de algunos de los transistores serán tan bajas como 100, y algunos tendrán ganancias de hasta 300. La mayoría de los transistores tienen ganancias de corriente dentro de este rango.

La ganancia mínima de corriente se disminuye cuando la corriente del colector es mayor o menos de 100 mA. Para los 0.1 mA, la ganancia mínima de corriente es de 40. para 100 mA, la ganancia mínima de corriente es de 30. las hojas de datos ofrecen únicamente la ganancia mínima de corriente para 10 mA debido a que el mínimo representa las peores condiciones. Los diseñadores generalmente tienen que tomar en cuenta las condiciones peores de funcionamiento, y tienen que evaluar la forma en que el circuito va a trabajar con la ganancia de corriente más adversa.

 

Ejemplo 14.11. Un transistor 2N3904 tiene VCE = 12V, e IC = 10 mA. ¿Cuál es su potencia de disipación? ¿Puede trabajar en forma segura con esta potencia disipada a la temperatura ambiente de 25 ºC?

 

 

Respuesta: De acuerdo con la Ecuación (14.8), multiplique VCE por IC:

            PD = (12V)( 10 mA) = 120 mW

¿Es seguro? Si la temperatura ambiente es de 25 ºC y la potencia del transistor es de 350 mW, entonces está dentro del rango seguro.
Como se sabe, en un buen diseño se debe incluir el factor de seguridad para asegurarse que el transistor puede trabajar durante un tiempo largo. El factor de seguridad por lo general es de 2 o más. El factor de seguridad significa que según el diseño, se tiene capacidad de disipación de potencia de la mitad de 350 mW, o sean 175 mW. Por lo tanto, a 25 ºC, la disipación de potencia de 120 mW es muy segura.

 

Ejemplo 14.12. En el Ejemplo 14.11, si la temperatura ambiente es de 100 ºC, ¿se estará siempre dentro del rango seguro de disipación de potencia?

Respuesta: La nueva temperatura es mayor de 25 ºC,

            100 ºC – 25 ºC = 75 ºC,
lo que a menudo se puede escribir como que: DT = 75 ºC

Aquí, la D significa que hay una diferencia, en el caso anterior, que entre ambas temperaturas hay una diferencia de 75 ºC.

Multiplicando la diferencia de temperatura por el  factor de disminución:

            (2.8 mW / ºC)( 75 ºC) = 210 mW

lo que generalmente se escribe como que: DP = 210 mW, significando la DP que existe una diferencia en la potencia, que es la potencia nominal menos la diferencia de potencies, lo cual es igual a:

            PD(max) = 350 mW – 210 mW = 140 mW

Esto proporciona la potencia nominal del transistor a temperatura ambiente de 100 ºC. ¿Es este un diseño seguro? El transistor todavía no tiene problema, sin embargo la disipación de potencia de 120 mW es menor que la potencia máxima de 140 mW. Sin embargo, el factor de potencia ya no es de 2. Si la temperatura o el poder de disipación se incrementan, el transistor podría alcanzar el punto crítico, por lo cual el diseñador necesita re-diseñar el circuito, para hacer que el factor de seguridad sea de 2. Trate de cambiar el circuito para hacer que la disipación de potencia sea la mitad de 140 mW, o sea 70 mW. Otra forma es reducir la tensión del colector – emisor a 7V, lo que reduciría la potencia en:

            PD = (7V)(10 mA) = 70 mW

 

 

14.9     El transistor Como Interruptor

Cuando un transistor funciona como un interruptor, está trabajando en la región de corte o de saturación.

La Fig. 14.22 muestra la operación básica de un transistor actuando como interruptor. En la Fig. 14.22(a), el transistor está en la región de corte debido a que no hay polarización directa en la unión base – emisor. Bajo esta condición, el colector y el emisor está abiertos, y actúa como el interruptor abierto de la Fig. 14.22(a). En la Fig. 14.22(b), la unión base – emisor está bajo polarización directa. La corriente de base es suficientemente alta como para que el colector alcance el valor de saturación. Por lo tanto, el transistor está en estado de saturación, y bajo esta condición, el colector – emisor es como un cortocircuito.

En realidad, hay menos de 1 voltio de caída de potencial, que es la tensión de saturación del transistor.

                
Fig. 14.22. Acción idealizada de un transistor actuando como interruptor

 

 

• Condiciones que Prevalecen Durante el Corte     

Como se mencionó anteriormente, cuando no hay polarización directa en la unión base – emisor, el transistor está en corte. Si se ignora la fuga, el transistor no tiene corriente, y VCE es igual a VCC.

            VCE(corte) = VCC                                                                                 (14.10)          

 

 

 

• Condiciones que Prevalecen Durante Saturación

 

     Tal como lo estudiamos anteriormente, cuando la unión base – emisor se encuentra bajo polarización directa, y se tiene suficiente corriente de base para generar corriente en el colector, el transistor se encuentra en estado de saturación. La ecuación de la corriente de colector bajo condición de saturación es           
Generalmente IB es mucho más grande que IB(min) para garantizar que el transistor está bajo condiciones de saturación.

Ejemplo 14.13 (1). La Fig. 14.23 muestra un circuito con transistor actuando como interruptor. Cuando Vin = 0, ¿cuál será VCE ? (2) Asuma que VCE(sat) = 0V, y que bdc = 200. ¿Cuál será el valor de IB para la condición de saturación?; (3) Cuando Vin = 5V, calcule el valor máximo de RB para hacer que el transistor esté en condición de saturación.

 

                                              

Fig. 14.23

 

 

Respuesta: (1) Cuando Vin = 0V, el transistor está en la región de corte. Mediante la Ecuación (14.10), VCE = VCC = 10V.
(2) Como VCE(sat) = 0V,

---Ver Libro de Texto---

Este valor de IB es para el transistor cuando entra en la región de saturación. Al aumentar IB se provoca que el transistor entre de lleno en la región de saturación, pero no aumentará el valor de IC.

(3) Cuando el transistor está en la región de saturación, VBE = 0.7V, y el potencial en RB es:

---Ver Libro de Texto---

Para hacer que IB = 0.05 mA, el valor máximo de RB se obtiene mediante la Ley de Ohm:

---Ver Libro de Texto---

 

•    Envases de Transistores e Identificación de Terminales

Hay muchos envases diferentes para transistores, según sea su aplicación. Los transistores de mayor potencia se distinguen porque tienen disipadores de calor o son del tipo tornillo. Para aplicaciones de potencia mediana o baja, la cubierta generalmente es de metal o de plástico. Existen otros tipos que se usan en dispositivos de alta frecuencia. Es necesario comprender la diferencia entre los envases y la identificación de los terminales, lo cual veremos en esta sección.

• Categorías de Transistores

 

Tal como lo mencionamos anteriormente, los fabricantes generalmente clasifican los transistores en tres tipos: (1) de uso general / dispositivos de señal débil, (2) dispositivos de alta potencia, y (3) dispositivos RF (emisores de frecuencia / micro frecuencia).
A pesar de haber diferentes tipos de envase para cada tipo de transistor, es posible encontrar algunos envases de tipo diferente. A continuación veremos los tipos de envase / cubierta para los tres tipos de transistor. Con ello se espera que el estudiante pueda identificar el transistor cuando lo vea.

 

 

 

 

(1) De propósito general / señal débil

Se utilizan en amplificación a baja potencia o como interruptor en circuitos. Su envase es de metal o de plástico. Puede haber muchos transistores en un solo envase o cubierta. En la Fig. 14.24 se muestran los envases de plástico, y en la Fig. 14.25 se aprecian los de metal. En la Fig. 14.26 se pueden ver envases con transistores múltiples. A este último tipo pertenece el “doble en paralelo” (DIP, en Inglés) y el de “pequeña escala” (SO, en Inglés). Es similar al envase IC normal, y los terminales se muestran en la superficie. Es posible identificar el emisor, la base y el colector.

 

                

Fig. 14.25 – Envases de metal para transistores de uso general / de señal débil

 

           

Fig. 14.26 – Envases típicos para transistores múltiples

 

(2)  Transistores de Potencia

El transistor de potencia sirve para controlar corrientes altas (generalmente mayores de 1 A) o tensiones altas. Por ejemplo, se usa para alimentar la bocina en la última etapa de amplificación de potencia de un equipo de audio estéreo. La Fig. 14.27 muestra la estructura de los envases. En aplicaciones normales, la cubierta metálica es el colector y se conecta a un disipador de calor . En la Fig. 14.27(a), puede verse de una forma aproximada la forma en que un transistor pequeño se coloca en un envase grande.

 

(3) Transistores RF

Se utilizan en alta frecuencia, generalmente en sistemas de comunicación o en aplicaciones de alta frecuencia. Su aspecto y disposición de los pines está diseñado con los mejores parámetros para altas frecuencias. La Fig. 14.28 muestra algunos ejemplos.

 

 

         

 

 

 

 

• Resumen

 

1. En un transistor bipolar hay tres nodos: emisor, colector, y base.
2. En un transistor bipolar hay dos uniones: (1) unión base – emisor, y (2) unión base – colector.
3. La corriente en el bipolo se compone de huecos y electrones, por ello se llama así.
4. Comparado con el colector y el emisor, la base es más angosta y tiene   menos concentración.
5. En los transistores bipolares hay tipos n-p-n y p-n-p.
6. Cuando el bipolar se usa como amplificador, la unión base – emisor se encuentra bajo polarización directa, y la unión base – colector bajo polarización inversa.
7. En el transistor existen tres tipos de corriente, que son: corriente de base (IB), corriente de emisor (IE) y corriente de colector (IC).
8. IB es mucho más pequeña que IE y que IC.

     9.   La relación entre IC e IB es la ganancia DC, y se utiliza el símbolo bdc. El   valor típico se encuentra entre 20 y varios cientos.
10. En las hojas de datos de transistores, bdc generalmente se expresa como  hFE.
11. La relación entre IC e IE es adc. El valor típico se encuentra entre 95 y  0.99
12. El transistor tiene polarización directa – inversa. La ganancia de tensión   es la relación entre la resistencia interna del emisor y la resistencia externa del colector.
13. Cuando un transistor trabaja en las regiones de corte y saturación,  funciona como un interruptor.
14.   Corriente de base IB = (VBB – VBE) / RB

•   Tensión colector – emisor VCE = VC – VE
•   Potencia de disipación de un transistor PD = PC = VCEIC
•   En la región de corte, las dos uniones del bipolar están bajo polarización  inversa. No hay corriente de colector. Bajo condiciones ideales, es como un interruptor abierto entre el colector y el emisor.
•  En la región de saturación, las dos uniones del bipolar están bajo  polarización directa. Hay corriente máxima de colector. Bajo condiciones ideales, es como un interruptor en corto entre el colector y el emisor.
•  bdc cambia con la temperatura, y tiene diferentes valores para el mismo tipo de transistor.
•  Tipos de envase: plástico, metal, cerámica.
•  El transistor debe probarse antes de montarlo en la tarjeta del circuito impreso.
•  Las partes que más fallan en un circuito a transistores son: una unión abierta, bdc demasiado baja, corriente de fuga muy alta, tarjeta del circuito impreso abierta o en corto.
•  Los transistores se puede clasificar en tres tipos: propósito genera l/ dispositivos de señal débil, dispositivos de alta potencia, dispositivos RF.

 

•     Preguntas

1. Los tres terminales de un transistor bipolar son (1) p-n-p, (2) n-p-n, (3) salida, salida, tierra, (4) base, emisor, colector.

 

2. En transistores p-n-p, son (1) la base y el emisor, (2) base y colector, (3) emisor y colector.

3. La corriente del emisor se siempre (1) más alta que la corriente de base, (2) más baja que la corriente de colector, (3) más alta que la corriente de colector, (4) respuestas (1) y (3) juntas.

 

4. La bdc es (1) ganancia de corriente, (2) ganancia de tensión, (3) ganancia de potencia, (4) resistencia interna.

5. Si IC es 50 veces mayor que IB, entonces bdc es: (1) 0.02, (2) 100, (3) 50, (4) 500.

 

6. Si bdc es 100, entonces adc es: (1) 99, (2) 0.99, (3) 101, (4) 0.01

7. Si el BJT está bajo polarización directa, entonces la tensión en la unión base – emisor es aproximadamente: (1) 0V, (2) 0.7V, (3) 0.3V, (4) VBB.

 

8. Cuando un transistor opera en la región de corte o de saturación, se comporta como: (1) amplificador lineal, (2) interruptor, (3) capacitor variable, (4) resistencia variable.

9. En situación de corte, VCE es: (1) 0V, 82) mínima, (3) Máxima, (4) igual a VCC, (5) respuestas (1) y (2), (6) respuestas (3) y (4).

 

10.  En condición de saturación, VCE es: (1) 0.7V, (2) igual a VCC, (3) mínima, (4) máxima.

 

• Problemas

 

1. ¿Cuáles son los portadores mayoritarios en la región de la base npn de un transistor?
2. Explique las razón por la cual la base de un transistor se fabrica muy delgada y con baja concentración de dopaje.
3. ¿Por qué en un transistor la corriente de base es más pequeña que la corriente de colector?
4. En un circuito a transistores, la corriente de base es de 30 mA, y es 2% la corriente del emisor. Determine la corriente del colector.

 

 

5. IE = 5.34 mA, IB = 475 mA, ¿Cuál será IC?
6. IC = 8.32 mA, IE = 8.69 mA, ¿Cuál será adc?
7. Un transistor tiene IC = 25 mA, IB = 200 mA, ¿Cuál es bdc?
8. adc = 0.96, entonces bdc = ¿?
9. bdc = 30, ¿cuál será el valor de adc?
10. adc = 0.96, ¿Cuál es el valor de IC cuando IE = 9.35 mA?
11. En la Fig. 14.29, IB = 50 mA, la tensión RC es 5 V, determine bdc.

 

 

   

Fig. 14.30

 

14. En el circuito de la Fig. 14.31, determine VCE, VBE y VCB.
15. Un transistor funciona con una corriente de colector de 50 mA. ¿Cuál es el   valor máximo de VCE si no puede exceder el PD(max) = 1.2 W.
16. El factor de disminución de un transistor es de 1 mW / ºC,   PD(max) = 0.5 W    a 25 ºC. ¿Cuál es PD(max)  a 100 ºC?

 

 

 

 

     

20. ¿Cuáles serán los tipos más posibles de transistor de acuerdo con los envases mostrados en la Fig. 14.35?

 

 

 

 

 

Fig. 14.35