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En lo tocante a la ciencia, la autoridad de un millar no es superior al humilde razonamiento de una sola persona,

Galileo Galilei(1564-1642).
Físico, astrónomo y filósofo italiano.
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FUNDAMENTOS DE LOS TRANSISTORES BIPOLARES

Los objetivos de este tema serán los siguientes:

  • Saber por qué un circuito con polarización de base no es el más adecuado para trabajar en circuitos amplificadores.
  • Identificar el punto de saturación y el punto de corte para un circuito con polarización de base.
  • Calcular el punto Q (punto de trabajo) para un circuito con polarización de base.
  • Dibujar un circuito con polarización de emisor y explicar por qué trabaja bien en circuitos amplificadores.
  • Indicar cómo realizar pruebas a los transistores fuera y dentro de los circuitos.

Variaciones de la ganancia de corriente

Dispersión de valores en la fabricación

Variación de la Temperatura

Variación de Ic

Debido a las tolerancias de fabricación, la ganancia de corriente de un transistor puede tener un intervalo de variación hasta de 3 a 1 cuando se cambia de un transistor a otro del mismo tipo.

Ejemplo: 2N3904     IC             hFEmín            hFEmáx                                       10mA       100                300

En este ejemplo se ve que el rango de valores en el que varía la ganancia de corriente (hFE = bcc), es desde 100 a 300. Esta variación es debida principalmente por estas tres causas:

Dispersión de valores en la fabricación

Debido a la fabricación en el catálogo nos dicen que esta es la relación entre el mejor y el peor transistor 3:1 (300 y 100).

En el catálogo tenemos esta gráfica:

Variación de la Temperatura

En el catálogo nos dicen que la variación es de 55 ºC a 150 ºC (más o menos de 3:1). Cogeremos la curva de 25 ºC pues trabajamos a temperatura ambiente.

Variación de Ic

Tenemos que el rango es de 35 a 100, más o menos 3:1 también.

Es imposible controlar el valor exacto de hFE. El mejor transistor tiene 27 :1 (3 :1 x 3 :1 x 3 :1). Varía muchísimo, no se puede controlar el bcc que va a tener en la realidad.

Ejemplo: 2N3904A este subíndice indica lo mejor o peor que es el transistor.

Circuito de polarización de base

Malla de entrada:

Recta de carga (malla de salida):

Hemos dicho que el transistor podía trabajar como un amplificador y también como un conmutador:

  • Conmutación: SATURACIóN y CORTE.

  • Amplificación: ACTIVA.

Como hemos dicho anteriormente, el valor de IB depende de la RB, por lo tanto podemos controlar la posición del punto Q variando el valor de la RB.

Analicemos brevemente la estabilidad de este circuito de polarización de base.

Vemos que la bcc puede variar por varias razones, por lo tanto el punto Q es inestable.

Ejemplo: bcc = 150

IB = 30 A IC = 150 30 = 4,5 mA VCE = 1,5 V

Ejemplo: bcc = 50

IB = 30 mA IC = 50 30 = 1,5 mA VCE = 10,5 V

Vemos que al variar la beta varia la VCE, por lo tanto la posición del punto Q.

En este applet podemos ver la recta de carga en continua de un transistor npn con polarización de base..

Cada vez que se introduzcan nuevos datos hay que pulsar el botón "Calcular".

En el área de "Resultados" podemos ver todas las corrientes del transistor, al igual que las tensiones.

El applet también nos dirá si el transistor esta trabajando en la zona activa, corte o saturación.

Podemos variar la escala de la gráfica modificando la "escala del eje y".

Para realización de esta simulación se han tomado estas equivalencias:

VBB = Vbb      Vbe = 0,7 V       RE = Re      RB = Rb      RC = Rc       b = Beta

VCB = Vcb      VCE = Vce = 0,7 V       IB = Ib =Ibase      IC = Ic  =Icolector      VCC = Vcc

El transistor en conmutación

Tenemos un interruptor en posición 1, abierto:

 IB = 0  IC = 0 CORTE (el transistor no conduce)

Recta de carga:

Esto era lo ideal, lo exacto sería:

Pero para electrónica digital no tiene mucha importancia ese pequeño margen, por lo tanto se desprecia.

Interruptor en posición 2:

Finalmente tenemos una gráfica de la siguiente forma:

Aplicación: Si tenemos en la entrada una onda cuadrada.

Me invierte la Vsal, invierte la onda de entrada en la salida. Ese circuito se utiliza en electrónica digital.

A ese circuito  le llamábamos "Circuito de polarización de base", que era bueno para corte y saturación, para conmutación. Pero este que hemos hecho no es exacto, lo exacto es:

Entonces se cogen los márgenes, pero como están muy separados se desprecia y no se le da importancia a ese pequeño error.

Circuito con polarización de emisor

Si se quiere amplificar, se necesitan circuitos cuyos puntos Q sean inmunes a los cambios en la ganancia de corriente, esto es, interesa que el punto Q sea lo más estable posible.

Para este propósito ahora se analizará el "Circuito de polarización de Emisor", que es el siguiente:

El propósito es amplificar, por esa razón el transistor tiene que trabajar en la zona ACTIVA.

Como estamos en activa VBE = 0.7 V. Por lo tanto y viendo la malla de entrada la tensión VC será de 4.3 V. Entonces la intensidad IE por la resistencia RE será de:

La malla de salida:

Gráficamente:

¿Que ocurre si el bcc varía?

Si  bcc  = 150 solo varía IB.

Varía la IB pero lo demás se mantiene y Q no varía, el transistor se autorregula y hace que varíe IB sin que nada más varíe, por lo tanto:

"El punto Q es muy estable".

Pero esto no es del todo exacto, porque algo varía, esto se verá si no se usa la aproximación de IC = IE. Sin esta aproximación tenemos:

Y ahora si influye el bcc.

Y tendríamos: VCE = 8,77 V

Con  bcc  = 150:

Con  bcc  = 50:

Varía algo, pero es bastante estable, es bueno para trabajar en activa.

En este applet podemos ver la recta de carga en continua de un transistor npn con polarización de emisor.

Cada vez que se introduzcan nuevos datos hay que pulsar el botón "Calcular".

En el área de "Resultados" podemos ver todas las corrientes del transistor, al igual que las tensiones.

El applet también nos dirá si el transistor esta trabajando en la zona activa, corte o saturación.

Podemos variar la escala de la gráfica modificando la "escala del eje y".

Para realización de esta simulación se han tomado estas equivalencias:

VBB = Vbb      Vbe = 0,7 V       RE = Re      RB = Rb      RC = Rc       b = Beta

VCB = Vcb      VCE = Vce = 0,7 V       IB = Ib =Ibase      IC = Ic  =Icolector      VCC = Vcc

Excitadores para los LED

Transistor con polarización de base como excitador para el LED

Transistor con polarización de emisor como excitador para el LED

Comparación de los dos circuitos

Para polarizar los LED´s podemos usar los 2 circuitos vistos anteriormente. En los circuitos con polarización de base se establece un valor fijo para la corriente de base y en los circuitos de polarización de emisor se establece un valor fijo para la corriente de emisor.

Debido al problema de la ganancia de corriente, los circuitos con polarización de base, generalmente, se diseñan para conmutar entre la saturación y el corte, mientras que los circuitos con polarización de emisor normalmente se diseñan para funcionar en la zona activa.

  • Circuito de polarización de base.
    • Corte (LED apagado)
    • Saturación (LED encendido)
  • Circuito de polarización de emisor:
    • Corte (LED apagado)
    • Activa (LED encendido)

Transistor con polarización de base como excitador para el LED

El circuito es el siguiente:

Circuito 1

Como se ve en el dibujo el interruptor tiene dos posiciones, la posición A y la posición B, analizaremos cada una de ellas:

Posición A

El interruptor esta abierto en esta posición por lo que la corriente de base es cero, entonces el transistor está en "Corte".

Posición B

Se cierra el interruptor, se analiza el circuito para ver en que zona se encuentra el transistor.

Habría que ver si con esta intensidad la luminosidad del LED es suficiente, sino se le dan retoques. Llegados a este punto, si quisiéramos variar el valor de la intensidad variaríamos Vcc y Rc. Ahora comprobamos si estamos en saturación:

Hemos visto que estamos en saturación fuerte. En este circuito si variásemos a bcc = 150 no influiría en el LED. 

Transistor con polarización de emisor como excitador para el LED

El circuito es el siguiente:

Circuito 2

Posición A

Interruptor abierto, la corriente de emisor es cero, por lo que el transistor está en "Corte".

Posición B

Interruptor cerrado analizamos en que zona se encuentra el transistor.

Comprobación si está en activa. Malla de salida:

BC en inversa (C más positivo que B), por lo tanto el transistor está en "Activa".

¿Si variamos bcc influye en algo? No influye, no varía su IC, el punto Q es muy estable

Comparación de los dos circuitos

Circuito 1: Según que LED puede variar su tensión 2 V, 2,2 V, 2,3 V, 1,8 V...Y esto influiría en la IC, entonces si cambio un LED por otro va a iluminar un poco más o menos.

Circuito 2: Las variaciones antes nombradas no influyen en este caso al LED, luego es mejor. Además nos ahorramos la RC que hemos quitado, por lo tanto es mejor el circuito 2, el circuito con polarización de emisor como excitador para el LED.

Detección de averías

Primeramente se comprueba que el transistor funciona correctamente separándolo del circuito y viendo con  el óhmetro los diferentes valores en el transistor.

Después se comprueba el transistor dentro del circuito.

Otras posibles averías:

  • RCs (short).
  • RCo (open).
  • VCC no me de tensión.

Más acerca del transistor en conmutación

Analizaremos uno de los circuito típicos que se usan en electrónica digital.

Vamos a ver si la hipótesis es correcta:

La hipótesis es correcta, estamos en saturación. Ahora comprobaremos si es saturación normal o fuerte:

Y la salida se aproxima a cero: V0 = 0 V.

Veamos que ocurre si a la entrada le metemos por ejemplo una onda cuadrada:

Así el circuito se comporta como un INVERSOR. Para que a la salida en lugar de 0 V y 15 V tengamos 0 V y 5 V, se cambia la pila VCC de + 15 V a VCC = + 5 V.

El transistor como fuente de corriente

Para estudiar este apartado compararemos 2 circuitos, el que hemos visto anteriormente y uno nuevo:

Circuito de polarización de base (conmutación con CORTE y SATURACIóN FUERTE).

Circuito de polarización de emisor (en ACTIVA). La resistencia de la base se coloca en el emisor, lo demás igual.

En el primer circuito tenemos:

Veamos como está atacada la base en los dos circuitos

Se ataca a la base con una fuente de tensión constante (VBB).
La base está atacada por una fuente de tensión constante y una resistencia.

Es casi una fuente de corriente. Se ataca a la base con una fuente de corriente

La RC no interviene en la fuente de corriente no importa el valor de RC.

Más dispositivos optoelectrónicos

Fototransistor

Optoacoplador con Fototransistor

Hasta ahora hemos visto: el Fotodiodo, diodo Led, Display de 7 segmentos y el Optoacoplador. Ahora veremos el Fototransistor y el Optoacoplador con fototransistor.

Pero antes vamos a comentar algo. Anteriormente hemos visto lo que ocurría cuando el transistor en corte, ahora veremos lo que ocurre dentro del transistor cuando estamos en corte.

El emisor no emite si dejamos la base al aire, pero aún y eso hay generación térmica de los minoritarios (electrones).

Vamos a usar esa corriente, en estos dos nuevos dispositivos optoelectrónicos veremos que ocurre con esa corriente de minoritarios.

Fototransistor

Es un transistor con la base al aire. Veamos que ocurre dentro del transistor:

Ocurre la generación térmica y se cierra una malla para los electrones minoritarios. Se pinta de negro el transistor dejando una rendija para que entre la luz. Con esto tenemos fotones que hacen que la corriente aumente, cuanto más fotones halla más aumentará la corriente.

En este applet podemos ver mediante una animación el comportamiento del fotodiodo, que aumenta su corriente gracias a los fotones de luz que recibe.

Para analizar esto veremos un símil equivalente, esto es un circuito que se comportaría como es fototransistor.

IR = IS + If pero despreciamos If, además debido al efecto de la luz se crea una corriente que se suma a la IR, por lo tanto tenemos:

 IR = IS + Iluz

Fototransistor tiene una corriente b veces mayor que el fotodiodo por estar IC multiplicado por b (IC = b*IR). Con la misma luz tengo b veces más corriente, es más sensible a la luz.

Optoacoplador con Fototransistor

Esta basado en el Fototransistor

Veremos el uso del Optoacoplador con Fototransistor con un ejemplo.

Ejemplo: Detector de paso por cero

Como su propio nombre indica su objetivo es detectar cuando el circuito pasa por cero. 

Viendo en el catálogo: Esta gráfica solo se cumple en el caso de que se esté en activa.

Ahora tenemos que saber donde nos encontramos. Hipótesis: Saturación.

Como vemos trabaja en Saturación (los Optoacopladores siempre trabajan en Saturación, al diseñarlos hay que tener en cuenta esto).

En el pico de la onda de entrada Vsal = 0 V. Se le dan distintos valores hasta que se salga de saturación, que ocurrirá en un punto cerca de 0 V. Después pasará a saturación y ya no emitirá luz.

En cada paso por cero hay un pico en el que pasa de saturación a corte y luego a saturación seguido. Con esto se detecta el paso por cero. Además de aislar el circuito de la red.

Resumiendo: Este circuito es un detector de paso por cero y además está aislado de la red.

Aplicación: En osciloscopios, ya que en estos hay que saber cuando se pasa por cero.

Problemas

Problema 7.1

Problema 7.2

Problema 7.1

Calcular la recta de carga y el punto Q de forma gráfica.

Solución:

Hipótesis: Activa.

Fijándonos en el dibujo vemos que estamos en activa, por lo tanto la suposición es correcta. Calculamos la recta de carga como se ha visto en la teoría, y finalmente tenemos:

Problema 7.2

a) VBB = 0 V

b) VBB = 10 V

Ver lo que ocurre en el circuito en cada uno de estos casos.

Solución:

Este es un circuito típico en el que los transistores están conmutando (conduce, no conduce, conduce, etc...).

a) VBB = 0 V

El circuito queda de la forma siguiente:

Algún mA va a Q2 pero lo despreciamos. Vemos que el zener está en ruptura:

Hay que saber ahora si el Led está encendido con esa corriente.

Ahora hay que ver en que zona trabaja el transistor Q2.

Como se ve el transistor Q2 trabaja en activa. Resumiendo vemos como a quedado:

  • Q1 CORTE.
  • Q2 ACTIVA.
  • LED se enciende.

b) VBB = 10 V

Hipótesis: Q1 SATURACIóN

El zener está en inversa, no funciona. Comprobamos si la hipótesis es correcta.

Si estuviera en activa:

Si se encuentra en saturación se cumple:

Si se cumple, está en SATURACIóN.

Aplicación: Si tuviéramos un tren de pulsos a la entrada:

Esto nos podría valer, por ejemplo, para controlar alarmas.

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