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El transistor de unión bipolar BJT

Los objetivos de este tema serán los siguientes:

  • Conocer las relaciones entre las corrientes de base, emisor y colector de un transistor bipolar.
  • Dibujar una curva hipotética de entrada y una familia de curvas de salida, identificando los ejes.
  • Reconocer las tres zonas de funcionamiento sobre la curva de salida de un transistor bipolar.
  • Indicar las características del transistor ideal y las de su segunda aproximación.
  • Enumerar algunas de las limitaciones de trabajo del transistor bipolar que deben ser conocidas por un técnico.

El transistor sin polarizar

En principio es similar a dos diodos

Antes y después de la difusión

El transistor esta compuesto por tres zonas de dopado, como se ve en la figura:

La zona superior es el "Colector", la zona central es la "Base" y la zona inferior es el "Emisor". El Emisor está muy impurificado, la Base tiene una impurificación muy baja, mientras que el Colector posee una impurificación intermedia.

 En este ejemplo concreto el transistor es un dispositivo npn, aunque también podría ser un pnp.

En principio es similar a dos diodos

Un transistor es similar a dos diodos, el transistor tiene dos uniones: una entre el emisor y la base y la otra entre la base y el colector. El emisor y la base forman uno de los diodos, mientras que el colector y la base forman el otro. Estos diodos son denominados: "Diodo de emisor" (el de la izquierda en este caso) y "Diodo de colector" (el de la derecha en este caso).

Antes y después de la difusión

Vamos a hacer un estudio del transistor npn, primeramente cuando está sin polarizar (sin pilas y en circuito abierto) se produce una "Difusión" (como un gas en una botella), donde los electrones cruzan de la zona n a la zona p, se difunden, encuentran un hueco y se recombinan. Esto hace que en las uniones entre las zonas n y p se creen iones positivos y negativos.

Esta difusión y recombinación se da hasta llegar al equilibrio, hasta conseguir una barrera de potencial de 0,7 V (para el Si). Se crean 2 z.c.e., una en la unión E-B (WE) y otra en la unión C-B.

El transistor polarizado

Si se conectan fuentes de tensión externas para polarizar al transistor, se obtienen resultados nuevos e inesperados. Hay 3 configuraciones:

  • Base común (BC).
  • Emisor común (EC).
  • Colector común (CC).

Cada una de estas configuraciones a su vez puede trabajar en 4 zonas diferentes:

Zona ACTIVA:UE en Directa y UC en Inversa. AMPLIFICADORES
Zona de SATURACIóN:UE en Directa y UC en Directa. CONMUTACIóN
Zona de CORTE:UE en Inversa y UC en Inversa. CONMUTACIóN
Zona ACTIVA INVERTIDA:UE en Inversa y UC en Directa. SIN UTILIDAD

Con esto vemos que el transistor puede trabajar de 12 formas diferentes.

Configuración en BC

La zona que más nos interesa es la zona activa, por lo tanto a continuación analizaremos esta zona. La zona p de base suele ser muy estrecha en la realidad, más tarde veremos porque. En el siguiente dibujo no dibujamos WE y WC para no emborronar el dibujo.

El negativo de la pila VEE repele los electrones de la zona del emisor que cruzan la UE.

Algunos electrones cruzan la UE y pasan por la zona p de la base sin recombinarse. Debido a la pila puede que un electrón cruce la barrera de potencial de la UE. Después ese electrón baja la barrera de potencial de la UC para salir por el colector.

Esto es el efecto transistor de n a p tiene que subir la barrera de potencial pero luego es más fácil porque tiene que bajar la barrera.

De los electrones emitidos por el emisor, aproximadamente un 1 % se recombina en la base y un 99 % no se recombina y llega al colector, esto es el efecto transistor. La palabra colector viene de ahí, el colector "Colecta" los electrones, los recoge, eso es el "Efecto transistor".

La base es muy estrecha y además está muy poco impurificada, esa es la razón de que la probabilidad de que un electrón se recombine sea muy pequeña (por ejemplo el 1%).

El emisor emite electrones, el colector los recoge, y la base es un dispositivo de control.

Corrientes en un transistor

El convenio que teníamos con el diodo era:

En el transistor también tomamos criterios, todas la corrientes entrantes, es como un nudo.

Ejemplo: IE = 100 mA, se recombinan el 1 % y no se recombinan el 99 %. Por lo tanto: IB = 1 mA y IC = 99 mA. Los signos como siempre, si va a favor del electrón es negativo y si va en contra positivo.

En los problemas por comodidad se suele cambiar de dirección a IE para que sea positivo.

Configuración en EC

Esta configuración es la más utilizada. Como en la configuración en BC solo analizaremos la zona activa.

Como en el caso anterior solo el 1 % se recombina y el 99 % no se recombina. La dirección de IE la cambiamos como en la configuración anterior.

Ganancia de corriente bcc:

A veces (casi siempre) se desprecia la IB, por ser muy pequeña, en comparación con la IC.

Tipos de transistores

Transistores de baja potencia

Transistores de potencia

En electrónica es muy habitual el hablar de transistores de baja potencia (pequeña señal) y de transistores de potencia (gran señal). Es una forma muy sencilla de diferenciar  a los transistores que trabajan con potencias relativamente pequeñas de los transistores que trabajan con potencias mayores.

Transistores de baja potencia

Se le llama transistor de baja potencia, o pequeña señal, al transistor que tiene una intensidad pequeña (IC pequeña), lo que corresponde a una potencia menor de 0,5 W. En este tipo de transistores interesará obtener bcc grandes (bcc = 100 300).

Transistores de potencia

Se le llama transistor de potencia al transistor que tiene una intensidad grande (IC grande), lo que corresponde a una potencia mayor de 0,5 W. En este tipo de transistores la bcc que se puede obtener en su fabricación suele ser bastante menor que en los de baja potencia (bcc = 20 ± 100).

Curva característica de entrada

Si variamos el valor de la pila VBB de la malla de entrada, tomando valores de IB y VBE podemos obtener la característica de (la malla de) entrada.

Como vemos, el la característica del diodo base-emisor, y tiene una forma exponencial.

Curva característica de salida

Analizamos la malla de salida y obtenemos distintas curvas para diferentes valores de IB.

Ajustando VBB fijo un valor de IB que voy a mantener constante (por ejemplo IB = 10 mA). Ahora variando VCC mido valores de VBE y IC y obtengo la correspondiente curva de IB = 10 mA. Hago lo mismo para IB = 20 mA, etc... Y así sucesivamente para diferentes valores de IB.

En cada una de estas curvas hay diferentes zonas:

UE = diodo EB = Unión de Emisor. UC = diodo CB = Unión de Colector.

  • Zona entre 1 y 2: ZONA DE SATURACIóN.
    • UE directa.
    • UC directa.
  • Zona entre 2 y 3: ZONA ACTIVA.
    • UE directa.
    • UC inversa.
  • Zona a partir de 3: ZONA DE RUPTURA.
    • UE directa.
    • UC muy en inversa.

Recordar que en activa conociendo el valor de IB se puede calcular la IC (IC = bcc * IB).

La zona de corte es desde IB = 0 hacia abajo (zona rallada) y no conduce

Veamos para que sirve cada zona:

  • Activa: Amplificadores y demás Circuitos Lineales

  • Corte y Saturación: Conmutación (Corte abierto y Saturación cerrado).

En este caso el control es por corriente.

Comparación con el diodo:

Con el diodo el control es por tensión.

  • Ruptura: Avalancha, se destruye el transistor.

Ahora vamos a ver como pasamos de una zona a otra.

Ejemplo:

Una vez obtenido esto, el valor y el signo de las tensiones nos dirá en que zona estamos trabajando.

Para pasar de una zona a otra, de saturación a activa, se varía la UC de directa a inversa.

Si la VCE se encuentra entre 0 V y 0,2 V, la UC está en directa y el transistor está en Saturación. Si VCE es mayor o igual a 0,2 V la UC está en inversa y por lo tanto en transistor está en Activa.

Corte:

Analizaremos ahora lo que ocurre en Corte.

La IB = 0, pero vamos a ver lo que ocurre internamente.

Hay "Portadores minoritarios generados térmicamente" en la zona p de la base que crean una pequeña corriente llamada ICEo (corriente entre colector y emisor, esta "o" significa open = abierto en inglés, y quiere decir que el circuito está abierto por la base).

ICEo = Corriente de corte de minoritarios.

De ese valor hacia abajo se pone una pila que polarice la UE en inversa, de la siguiente forma:

Potencia disipada por el transistor

La potencia se disipa en las uniones. Veamos un ejemplo concreto:

Entonces el valor de la potencia total o potencia disipada lo calcularemos usando esta formula:

Aproximaciones para el transistor

1ª aproximación (ideal)

2ª aproximación

3ª aproximación

Las características de entrada y salida no son lineales:

Para facilitar los cálculos usaremos las siguientes aproximaciones.

1ª aproximación (ideal)

Esta es la aproximación ideal, por lo tanto la menos exacta de las tres, las características de entrada y salida son estas:

2ª aproximación

Esta aproximación no es tan ideal como la anterior por lo tanto se parece más al funcionamiento real del transistor.

3ª aproximación

La aproximación más exacta o la que más se parece a la realidad, por lo tanto algo más compleja que las anteriores, se gana en exactitud pero también en complejidad.

Ejemplo: En este ejemplo usaremos las 3 aproximaciones para ver que error se comete de una a otra.

  • 1ª aproximación

Para saber donde estamos hacemos una hipótesis. Hipótesis: ACTIVA.

Vemos que la UE está en directa y la UC está en inversa por lo tanto la hipótesis es correcta, estamos en activa.

  • 2ª aproximación

También queda demostrado que nos encontramos en activa. La mayor diferencia esta en VCE y debido eso se recomienda usar la 2ª aproximación en vez de la 1ª aproximación.

En problemas complicados, con varios transistores, para reducir incógnitas se toma: IC = IE.

La 3ª aproximación no se suele utilizar, porque no se sabe en que punto estamos trabajando (punto Q). En practicas se podría utilizar la 3ª aproximación midiendo la tensión VBE con el voltímetro, pero en problemas no se usa la 3ª aproximación.

Si supiéramos su valor, aplicamos la 3ª aproximación y se ven los valores que salen:

  • 3ª aproximación

Por ejemplo con un voltímetro mido la tensión VBE y me sale el siguiente valor:

Como se ve los errores son mínimos comparándolos con la 2ª aproximación, por eso usaremos la 2ª aproximación.

Hoja de características de un transistor

Corriente y potencia máximas

Factor de ajuste

Otro parámetro

Tensiones inversas de ruptura para el transistor 2N3904.

VCB....................................60 V (máximo valor en inversa) VCEo...................................40 V (máximo valor en inversa con la base abierta) VEB.......................................6 V (máximo valor en inversa)

En realidad en la hoja de características tenemos que diferenciar los transistores en:

  • Transistores de pequeña señal (IC pequeña), por ejemplo: 2N3904.
  • Transistores de potencia (IC grande), por ejemplo: 2N3055.

Corriente y potencia máximas

En las uniones del transistor se suelen dar unas temperaturas muy elevadas, siendo la unión más problemática la unión CB, porque es la que más se calienta.

En un transistor se dan tres tipos de temperaturas:

  • Tj = Temperatura de la unión.
  • TC = Temperatura de la capsula.
  • TA = Temperatura del ambiente.

Ejemplo: Tj = 200 ºC

Para sacar el calor de la unión tenemos que el flujo calorífico ha de pasar de la unión al encapsulado y posteriormente al ambiente.

Hay una resistencia térmica unión-cápsula que dificulta que el calor pase de la unión a la cápsula (jjC).

Hay una resistencia térmica cápsula-ambiente que dificulta que el calor pase de la cápsula al ambiente (jCA).

jjC = 125 ºC/W jCA = 232 ºC/W jjA = 357 ºC/W

Son unas resistencias que se oponen al paso de calor.

Factor de ajuste

Indica como disminuye la PDmáx por cada grado de aumento de temperatura por encima de un valor determinado.

Ejemplo:  Para el 2N3904  PDmáx = 350 mW (a 25 ºC)   Factor de ajuste = - 2,8 mW/ºC

Si TA aumenta a 60 ºC:  PDmáx = 350 - 2,8 (60 - 25) = 252 mW

Ese factor de ajuste es el inverso de la resistencia térmica:

Factor de ajuste = 1 / jjA

Otro parámetro

Este parámetro es el bcc que ya hemos visto anteriormente (IC = bcc * IB Zona Activa).

bcc = hFE

Seguimos con el ejemplo del transistor 2N3904. En el catálogo suele venir:

  IC

(mA)

0,1

1

10

50

100

hFE

mín            typ          máx

40.............__...........__

70.............__...........__

100.............__...........300

60.............__...........__

30.............__...........__

Este valor es para la zona activa. Como se ve en la gráfica, existe una tolerancia de fabricación o dispersión de valores en la fabricación que por ejemplo para IC = 10 mA va desde 100 hasta 300.

Detección de averías en circuitos con transistores

Veamos los tipos de averías típicos que podemos tener en un transistor con un ejemplo:

1ª aproximación:

Esto es cuando no hay averías. Dos tipos de averías comunes que podemos tener son que la base este abierta o que la base se encuentre cortocircuitada, veamos estos dos casos:

  • RB abierto = RBo

  • RB cortocircuito = RBs

En este caso de la base en cortocircuito, se puede estropear la unión BE.

Bandas de energía (consideraciones de energía)

Vamos a comparar el transistor sin polarizar con el transistor polarizado en la zona activa.

Como se ve en el dibujo, las bandas de energía se han movido al polarizar el circuito en la zona activa. La zona n del colector a bajado y la zona n del emisor a subido con respecto al caso del circuito no polarizado. Ahora los electrones suben la barrera de potencial de la UE, un 1 % se recombinan en la base, y el 99 % bajan la barrera de potencial de la UC cediendo una energía en forma de calor (DE).

Si estamos en el caso en el que el 1 % se recombina y el 99 % consigue pasar la barrera:

Otro coeficiente:

Significado de acc: De los electrones emitidos por el emisor, la mayoría llegan al colector, en nuestro ejemplo un 99 %. Ese mismo valor pero expresado en tanto por uno nos da el valor de acc (acc = 0,99 en nuestro caso).

Relación entre bcc y acc:

Debemos de hacer la observación de que la proporción de recombinación en la base y recogidos por el colector respecto a los emitidos, varía de un transistor a otro. O sea, en nuestro ejemplo era de 1 % y 99 % respectivamente (acc = 0,99). Otros transistores tendrán otras proporciones y por tanto otro valor de acc.

Ejemplo: acc = 0,98

Curvas de entrada y Efecto Early

Vamos a analizar las curvas de entrada de para 2 casos distintos:

Ajusto VCE a 1 V y obtengo el punto A.

Ajusto ahora VCE2 = 20 V y obtengo otro punto de IB y VBE (punto B). Con esto la curva queda más a la derecha. Nos da una curva distintas por el "Efecto Early". Veamos porque ocurre esto.

El emisor emite electrones libres (100 %), algunos se recombinan en la base y el resto van al colector hacia la pila VCC.

Ejemplo:  

Punto A: VCE = 1 V

5 % se recombina y 95 % sigue al colector.

Punto B: VCE = 20 V

Ahora el + 20 V atrae con más fuerza a los electrones que el + 1 V y cruzan más rápido la base, la probabilidad de recombinarse con un hueco es menor, con lo que llegan más al colector y la proporción acc aumenta. Esto produce una variación en el bcc. Al recombinarse menos electrones en la base, la corriente de recombinación IB disminuye.

Conclusión:

Corte y Ruptura

Veamos que ocurre cuando estando en corte vamos aumentamos el valor de VCE:

Tenemos un valor en el que hay una ruptura por avalancha. Para que no ocurra la avalancha la VCE tiene que estar por debajo de ese valor:

3ª aproximación

Normalmente usamos la 2ª aproximación, pero cuando hay errores muy grandes usaremos la 3ª aproximación.

Vamos a ver dos casos, con un transistor de pequeña señal y con uno de gran señal:

Transistor de pequeña señal  (potencia <= 0,5 W)

2N3904

IC = 100 mA    rBbe = 1,5 W

Aproximamos los 0,85 a 0,7.

Transistor de gran señal  (potencia > 0,5 W)

2N3055

Se trabaja con intensidades mayores, entonces las diferencias también son mayores.

IC = 10 A    rBbe = 0,09 W

VBE = 0,7 + 10 * 0,09 = 1,6 V

El punto de trabajo en el de gran señal esta más a la derecha que en el de pequeña señal. Las corrientes son tan grandes que la caída IC*rBbe se hace importante, y habría que tenerla en cuenta. Si vemos la característica de salida:

saturación: Para el 2N3904:

rBbc = 2,8 W   IC = 100 mA

VCE = IC * rBbc = 0,28 V 

Este valor de VCE nos aleja del ideal. Con el de gran señal ( 2N3055):

IC = 10 A      rBbc = 0,5 W           VCE = IC* rBbc = 10* 0,5 = 0,5 V

Se aparta más del ideal que el anterior, porque el valor de VCE es mayor, el de potencia tiene una inclinación mayor.

Resistencia transversal de base

Veamos lo que ocurre en la zona activa:

El electrón del 1 % (el que se recombina), tiene que cruzar una distancia muy larga para llegar a la pila. Toda zona tiene una resistencia:

Los electrones que no se recombinan también tiene que cruzar una sección y longitud, entonces también hay una resistencia, pero como el área (A) es tan grande se desprecian esas resistencias (re y rc). Entonces solo nos fijaremos en la "Resistencia transversal de base", porque el área no es tan grande en esta zona y por lo tanto esta resistencia no se puede despreciar:

Además esto se ve acentuado si hacemos lo siguiente. Si aumenta la tensión inversa entre colector y base.

VB'E vence la barrera de potencial de 0,7 V. Además de la barrera hay que tener en cuenta la resistencia:

El modelo de Ebers-Moll

El transistor se fundamenta en:

Se puede expresar su funcionamiento mediante el siguiente modelo equivalente:

VBE' = Es la tensión entre los extremos de la zona de deplexión de la unión BE. Cuando esta tensión es mayor que aproximadamente 0,7 V, el emisor inyecta un gran número de electrones en la base.

acc = La corriente del diodo de emisor controla la corriente de colector. Por esta razón la fuente de corriente de colector obliga a que fluya una corriente acc*IE en el circuito de colector.

Luego se podrían hacer aproximaciones:

  • acc = 1 lo que implica que IC = IE
  • rb' = 0 un cortocircuito
  • etc...

Problemas

Problema 6.1

Problema 6.2

Problema 6.1

Diseñar un circuito en EC que cumpla los requisitos siguientes: VBB = 5 V, VCC = 15 V, hFE = 120, IC = 10 mA y VCE = 7,5 V. Resolverlo usando la 2ª aproximación.

Solución:

Colocando los datos que da el problema en el circuito emisor común se ve que falta por determinar el valor de RB y RC

Malla de entrada y ecuación de la ganancia:

Malla de salida:

Problema 6.2

En circuito de la figura, hallar utilizando la 1ª y 2ª aproximación:

a) La corriente de base.

b) La tensión colector-emisor.

c) La potencia disipada en el transistor.

Solución:

1ª aproximación

2ª aproximación

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