1 INTRODUCCIÓN Son dispositivos de estado sólido
(semiconductores) Tienen tres terminales: Emisor, base y colector
Están compuestos por dos uniones PN yuxtapuestas que se
interrelacionan entre sí. Son la base de muchos circuitos
de conmutación y de procesado de señal. Los
amplificadores operacionales y otros C.I. pueden contener varias
decenas de transistores, cada uno de ellos con misiones
diferentes: Implementar fuentes de corriente constante Generar
tensiones de referencia Amplificar señales en modo
diferencial y reducir la ganancia en modo común
Implementar etapas de salida, etc….
15-11-06 Tema 7.- Transistores bipolares 2 INTRODUCCIÓN
(continuación) En Electrónica de Potencia pueden
funcionar como interruptores de potencia, conmutando corrientes
elevadas a elevadas frecuencias y tensiones. En
Electrónica digital forman parte de muchos dispositivos
lógicos integrados. Se denominan bipolares porque su
funcionamiento depende del flujo de dos tipos de portadores de
carga: electrones y “huecos”. También se
suelen denominar B.J.T. De las siglas en inglés
“Bipolar Juntion Transistor”
3 Tipos y modelos del transistor bipolar Existen dos tipos de
transistores bipolares según su estructura: Transistores
bipolares NPN Transistores bipolares PNP
4 Tipos y modelos del transistor bipolar (cont) NPN PNP
5 Tipos y modelos del transistor bipolar (cont) NPN PNP Los
sentidos de las flechas del terminal de emisor, y de las
corrientes, indican el sentido real de las mismas cuando el
transistor está polarizado en la R.A.N o en
saturación.
6 Modelo de Ebers-Moll para el transistor bipolar NPN El modelo
muestra al transistor NPN como dos diodos conectados por los
ánodos, con dos fuentes de corriente dependientes en
paralelo con cada uno de los diodos, que modelizan el efecto de
las inter-acciones que tienen lugar debido a la
configuración monocristal. Existen dos uniones: La
unión base-emisor, cuya corriente la denominamos: iDE La
unión base-colector, cuya corriente la denominamos:
iDC
7 Modelo de Ebers-Moll para el transistor bipolar NPN (Cont) La
fuente de corriente dependiente aF iDE representa el efecto de la
corriente a través de la unión base-emisor sobre la
corriente de colector (efecto “Transistor”). La
fuente de corriente dependiente aR iDC representa el efecto de la
corriente a través de la unión base-colector base
sobre la corriente de emisor (efecto dual al anterior). El
circuito no es simétrico, ya que aF tiene unos valores
comprendidos entre 0,99 y 0,997 para transistores utilizados en
aplicaciones analógicas y digitales., mientras que aR es
considerablemente menor que 1. Su valor está comprendido
entre 0,05 y 0,5. En Electrónica Física, se puede
demostrar la siguiente relación, denominada “LEY DE
RECIPROCIDAD”: aF IES= aR ICS=IS Donde: IES= Corriente
inversa de saturación de la unión base-emisor Y
ICS= Corriente inversa de saturación de la unión
base-colector. De donde se deduce que
8 Modelo de Ebers-Moll para el transistor bipolar NPN (Cont) Del
modelo de Ebers-Moll y de la Ley de Reciprocidad, se pueden
deducir fácilmente las dos ecuaciones no lineales
siguientes : Es decir:
9 Modelo de Ebers-Moll para el transistor bipolar NPN (Cont) Del
modelo de Ebers-Moll y de la Ley de Reciprocidad, se pueden
deducir fácilmente las dos ecuaciones no lineales
siguientes : Es decir:
10 Modelo de Ebers-Moll para el transistor bipolar NPN (Cont)
Estas dos ecuaciones definen a un primer nivel ,sin efectos
secundarios, el modelo del transistor bipolar NPN, y corresponde
a un sistema de dos ecuaciones con cuatro incógnitas. La
otras dos ecuaciones vendrán impuesta por el circuito
exterior, y corresponderán a las ecuaciones de
polarización.
11 Modelo de Ebers-Moll para el transistor bipolar NPN (Cont) El
conjunto de las ecuaciones de Ebers-Moll, junto con las
ecuaciones de polarización de continua (impuestas por el
circuito de polarización exterior, darán lugar al
régimen de corrientes y tensiones que se establezcan en
los terminales del dispositivo, denominado punto de
operación del transistor. El modelo de Ebers Moll es un
modelo poco manejable, pero válido en cualquier
circunstancia, siempre que no entren e ruptura ninguna de las
uniones. Según como estén polarizadas las uniones,
pueden encontrarse modelos basados en el anterior, pero mas
sencillos y manejables.
12 Regiones de Polarización de un transistor bipolar
Existen cuatro posibles regiones, según como estén
polarizadas las uniones base- emisor y base-colector
13 Modelos simplificados según la región de
polarización Región Activa Normal (R.A. Directa) La
unión base-emisor polarizada directamente y la
unión base-colector polarizada inversamente. De las
ecuaciones de Ebers-Moll se deduce :
14 Modelos simplificados según la región de
polarización .- R.A.D. (R.A.N.) Región Activa
Normal (R.A. Directa) Por tanto: y teniendo en cuenta
que:iC+iB=iE : Se deduce que:
15 Modelo simplificado del BJT en la R.A.N. Por tanto, podemos
decir que en la R.A.N. .el transistor bipolar equivale al
siguiente circuito:
16 Modelo simplificado del BJT en la R.A.N.(CONT) (Gp:) 0,2 (Gp:)
0,7 (Gp:) 0,7 (Gp:) 0,2 (Gp:) (a) Región activa Es decir:
vBE=VBEQ iC=ß iB Por tanto el transistor funciona como un
amplificador de corriente
17 Modelo simplificado del BJT en la R.A.N.(CONT) La figura d)
representa un BJT NPN, en el límite de la R.A.N La figura
f) representa la exponencial que relaciona iC con vBE cuya
expresión viene dada (pag14) por:
18 Modelo simplificado del BJT en la R.A.N.(CONT) En la R.A.N, se
verifica que: Esta expresión es muy importante, ya que
para transistores idénticos y a la misma temperatura, si
tienen la misma tensión base-emisor, tendrán la
misma corriente de colector. (Esta propiedad se emplea mucho en
C.integrados, para implementar fuentes de corriente constante
)
19 Modelo simplificado del BJT en la Región de
Saturación La unión base-emisor polarizada
directamente y la unión base-colector polarizada
también directamente. (Gp:) 0,7 (Gp:) 0,2 (Gp:) 0,2 (Gp:)
0,7 (Gp:) (b) Región de saturación
20 Modelo simplificado del BJT en la Región de
saturación (Cont) La unión base-emisor polarizada
directamente y la unión base-colector polarizada
también directamente. En el límite de la
región de saturación a la R.A.N., vBE vale
aproximadamente 0,7 voltios, y vBC= tensión umbral=0,5
voltios, por lo que VCE valdrá 0,2 voltios, por eso se
modela la tensión VCE como una fuente de tensión
constante de 0,2 voltios, aunque puede ser menor. La
tensión VBE en saturación, debido a que la
corriente de base suele ser bastante elevada, puede llegar a ser
de 0,8 voltios en transistores de baja potencia
21 Modelo simplificado en la región de corte La
unión base-emisor polarizada inversamente y la
unión base-colector polarizada también
inversamente. En transistores de Si, a temperaturas no muy
elevadas, IB=IC=0
22 Modelo simplificado en la región de corte (Cont) La
unión base-emisor polarizada inversamente y la
unión base-colector polarizada también
inversamente. Un modelo de mayor exactitud, de las ecuaciones de
Ebers Moll, es no despreciar los términos en IS Un
parámetro que suelen dar los fabricantes es ICB0 ,
(corriente de circulación inversa entre colector y base ,
con el emisor abierto. Se deduce fácilmente que :
(Parámetro muy dependiente de la temperatura)
23 Modelo simplificado en la región activa inversa La
unión base-emisor polarizada inversamente y la
unión base-colector polarizada directamente.
24 Modelo simplificado en la región activa inversa (Cont)
En funcionamiento activo inverso los papeles de emisor y colector
se invierten, respecto a la región activa directa. La
corriente de emisor es ßR iB, donde: El sentido real de las
corrientes iE e iC es ahora el contrario del indicado en la
figura (b) Como ßR es mucho menor que ßF, la ganancia
en esta región es muy pequeña, y no tiene ninguna
utilidad trabajar en ella.
25 Ejemplo de análisis del P.O. De un transistor (Gp:) (a)
Circuito real (Gp:) (b) Circuito equivalente suponiendo
funcionamiento en la región de corte (Gp:) (c) Circuito
equivalente suponiendo funcionamiento en la región de
saturación (Gp:) (d) Circuito equivalente suponiendo
funcionamiento en la región activa
26 Aplicaciones del transistor Polarizado en la Región
activa directa: Funcionamiento aproximadamente lineal.
Amplificadores de tensión, de corriente ,fuentes de
corriente, adaptación de impedancias, cargas activas…
Empleo masivo en circuitos integrados lineales y no lineales
Polarizado en corte o en saturación: Funcionamiento como
conmutador de alta frecuencia y de potencia. Actualmente la
utilización del transistor bipolar discreto está
prácticamente limitada a etapas de salida y como
conmutador
27 Polarización del transistor. Ecuaciones de
polarización. Recta de carga Para que el transistor
funcione en alguna de las regiones, es necesario polarizarlo
mediante una red externa de continua. El transistor es un
dispositivo de tres terminales. Para definir su estado, o lo que
es lo mismo, las corrientes y tensiones existentes en el
dispositivo, debemos conocer seis variables: IB, IC, IE, VBE,VBC,
y VCE.
28 Polarización del transistor. Ecuaciones de
polarización.(Cont) De las seis variables, IB, IC, IE,
VBE,VBC, y VCE, nada mas son independientes 4, ya que por las
leyes de Kirchof, IB+IC=IE VBC+VCE=VBE Tomaremos normalmente las
variables IB, IC,VBE y VCE Por tanto necesitamos cuatro
ecuaciones para resolver las corrientes y tensiones en el
transistor. Dos ecuaciones nos las proporciona el modelo del
dispositivo. Las otras dos ecuaciones nos las
proporcionará la red de polarización externa
29 Polarización del transistor. Ecuaciones de
polarización.(Cont) La red de polarización externa
es de continua. Las dos ecuaciones que impone la red de
polarización en continua se denominan: “ ECUACIONES
DE POLARIZACIÓN” En Régimen de tensiones y
corrientes constantes, en ausencia de señales, el circuito
estará compuesto exclusivamente por: Fuentes de
tensión continuas y constantes. Fuentes de corriente
continuas y constantes. Resistencias Las capacidades las podremos
considerar C.A. Y las autoinducciones C.C.
30 Ecuaciones de polarización.(Cont) Cualquier circuito
externo de polarización en continua, lo podemos reducir a
otro totalmente equivalente compuesto por tres resistencias y dos
fuentes de tensión constantes, en una
generalización del Teorema de Thévenin aplicado a
triterminales: VBE=EBE-RBIB-REIE VCE=ECE-RCIC-REIE Pero: IB+IC=IE
Por tanto: VBE = EBE – (RB+RE) IB – RE IC VCE = ECE – RE IB –
(RC+RE) IC
31 Ecuaciones de polarización.(Cont) Estas son las dos
ecuaciones de polarización: [1] VBE = EBE – (RB+RE) IB –
RE IC [2] VCE = ECE – RE IB – (RC+RE) IC La ecuación [1]
corresponde a la “portada de entrada” La
ecuación [2] corresponde a la “portada de
salida”
32 Ecuaciones de polarización.(Cont) [1] VBE = EBE –
(RB+RE) IB – RE IC [2] VCE = ECE – RE IB – (RC+RE) IC
OBSERVACIONES : Las ecuaciones de polarización se han
desarrollado sin tener en cuenta para nada las
características del dispositivo de tres terminales, y por
tanto son aplicables a cualquier elemento de tres terminales, sin
mas que cambiar los subíndices empleados. En general, B=1,
C=2, E=3. Las ecuaciones de polarización solo dependen de
la red de polarización externa
33 Ecuaciones de polarización.(Cont) [1] VBE = EBE –
(RB+RE) IB – RE IC [2] VCE = ECE – RE IB – (RC+RE) IC Las
ecuaciones [1] y [2] pueden ponerse en forma matricial:
34 Recta de carga estática [1] VBE = EBE – (RB+RE) IB – RE
IC [2] VCE = ECE – RE IB – (RC+RE) IC Si en el circuito de
polarización normalizado, RE=0, entonces las ecuaciones de
polarización se reducen a : [2] VBE = EBE – (RB) IB [3]
VCE = ECE – (RC) IC Entonces la ecuación [2] puede
representarse en el plano IB-VBE y es la denominada recta
estática de la portada de entrada. Entonces la
ecuación [3] puede representarse en el plano IC-VCE y es
la denominada recta estática de la portada de
salida.
35 Recta de carga estática (Cont) La intersección
de la R.E.C. de la entrada, con la característica
corriente tensión de la unión base- emisor, es el
Punto de operación del diodo base-emisor. IBQ,ICQ La
intersección de la R.E.C. de la salida, con las curvas
características de salida del transistor, es el Punto de
operación de la portada de salida: ICQ, VCEQ
36 Punto de operación del transistor bipolar en la
Región Activa Directa Si suponemos que el transistor
está en la R.A.D.: vBE=VBEQ=0,7 v. (Si, NPN), y IC=ß
IB, que junto con las ecuaciones de polarización, su
resolución, nos dará el P.O. [1] VBEQ = EBE –
(RB+RE) IBQ – RE ICQ [2] VCEQ= ECE – RE IBQ – (RC+RE) ICQ
Sustituyendo IBQ por ICQ/ß, y agrupando
términos:
37 Punto de operación del transistor bipolar en la
Región Activa Directa (Cont) El Punto de operación,
tanto de la portada de entrada como de la portada de salida queda
por tanto definido. VBE=VBEQ. (0,6 a 0,7 voltios en transistores
bipolares de Si. IC=ICQ, viene dado por la expresión [1]
VCE=VCEQ, viene dado por la expresión [2], en
función de ICQ IB=IBQ=ICQ/ß
38 Punto de operación del transistor bipolar en la
Región Activa Directa (Cont) CONSIDERACIONES IMPORTANTES:
El valor de beta es fuertemente dependiente de la temperatura. En
transistores discretos tiene una dispersión en su valor
muy importante, incluso para transistores del mismo tipo y a
igual temperatura. Para las aplicaciones del B.J.T. en la R.A.D.,
es necesario garantizar la estabilidad del P.O. en lo referente a
la portada de salida (ICQ y VCEQ ) Es necesario garantizar la
estabilidad y reproductibilidad de ICQ y de VCEQ
39 Punto de operación del transistor bipolar en la
Región Activa Directa (Cont) Para garantizar un valor de
ICQ constante, y que se pueda reproducir y conseguir que no
varíe, deberá hacerse independiente de beta, con
una beta mínima lo suficientemente elevada ya que
ésta es muy variable, y por tanto el diseño de la
red de polarización deberá se tal que cumpla: En el
diseño, se puede aplicar la relación 1/10 ó
1/20, según el error admisible
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