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La historia se está convirtiendo cada vez más en una carrera entre educación y catástrofe.

Herbert George Wells(1866-1946).
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POLARIZACIóN Y ESTABILIZACIóN DEL TRANSISTOR BIPOLAR

Los objetivos de este tema serán los siguientes:

  • Dibujar un esquema de un circuito de polarización por división de tensión.
  • Calcular, en un circuito de polarización por división de tensión, la corriente por el divisor, la tensión de base, la tensión de emisor, la tensión de colector y la tensión colector-emisor.
  • Obtener la recta de carga y calcular el punto de trabajo (Q) de un circuito de polarización por división de tensión.
  • Dibujar un esquema de un circuito de polarización de emisor con dos fuentes de alimentación y calcular VRE, IX, VC y VCE.
  • Recordar cómo se utilizan los transistores pnp en el circuito de polarización por división de tensión.
  • Comparar los diferentes tipos de polarización y describir las características de cada uno.

Polarización por divisor de tensión

Análisis aproximado

Este tema es una continuación del anterior, por ello primeramente vamos a hacer un breve resumen de lo visto anteriormente para situarnos mejor en el tema.

Hasta ahora hemos visto estos circuitos:

  • Circuito de polarización de base (resistencia en la base).

  • Circuito de polarización de emisor (resistencia en emisor).

En este tema analizaremos este último circuito más que ningún otro.

Las pilas normalmente suelen ser fuentes de alimentación.

Pero es muy caro poner 2 fuentes de alimentación por eso se suele modificarse el circuito de tal forma que solo se usa una fuente de alimentación.

Como se ha dicho ahora nos ahorraremos una fuente de alimentación.

Ahora se mueve lo de la izquierda hacia arriba y como tenemos 10 V en los dos lados se pueden unir:

Y así nos hemos ahorrado una fuente de alimentación, este es el "Circuito de polarización por división de tensión".

Análisis aproximado

Así despreciamos IB:

Ejemplo: Aplicamos valores numéricos a lo que hemos hecho.

Vemos si la aproximación es buena: se tiene que cumplir:

Tiene que funcionar bien para los tres valores del catálogo.

catálogo: 

Para comprobarlo vamos a ver la recta de carga de continua (la de alterna se verá más adelante).

¿Qué curva de IB pasa por ese punto Q?

Si cambiamos el transistor, Q es el mismo pero varía la IB. No cambia la recta de carga ni el punto Q, lo que cambia es la IB, se "Auto adapta". El punto Q es muy estable, prácticamente no cambia de sitio, para hacer los cálculos no hemos usado la b, solo para la IB.

Circuito de polarización con 2 fuentes de tensión

Análisis: En este tema todos los circuitos estarán en activa.

Malla de entrada:

Malla de salida:

Recta de carga de continua:

Gráficamente:

Para más adelante será importante que el punto Q esté centrado (lo veremos más adelante).

Si el punto Q no saliese centrado, se podría cambiar la colocación del punto Q variando los valores de las resistencias y de las pilas como veremos más adelante.

Transistores pnp

Comparamos los transistores npn y pnp:

El emisor emite, el colector recoge y la base recombina. El sentido de las corrientes es el contrario al de los electrones.

Ejemplo: Vamos a hacer el problema de antes pero con el equivalente en pnp. Se deja todo igual excepto la pila.

Para cambiar de uno a otro:

  • Cambiar el signo de las tensiones.
  • Cambiar el signo de las corrientes.

Despreciamos IB para hacer los cálculos y cambiamos de sentido IR1 y IR2 para no andar con negativos:

Cambiamos los sentidos de IB, IC y IE para no andar con negativos:

Malla de salida:

Recta de carga y gráfica:

La intensidad de base no suele importar el signo, solo tenemos que saber para este caso que es saliente. Convenio: "Coger siempre el convenio de los transistores npn".

Tener cuidado con esto, para el ejemplo que hemos hecho saldrán negativos. Solo hay que cambiar el criterio en las corrientes. Este circuito tiene un problema.

¿Cómo construir Fuentes de Alimentación de - 10 V?

Para ello se cambian de sentido los diodos y el condensador.

No suelen abundar las F.A. negativas. Para usar una F.A. positiva se suele hacer esto:

  • Se quita la masa y se pone el punto de referencia en otro lugar.
  • Y además se le da la vuelta al circuito.

Y ahora ya tenemos una F.A. positiva. El análisis es idéntico al anterior.

Otros tipos de polarización

Existen también otros tipos de polarización que iremos analizando, empezando por el peor circuito y terminando con el mejor. Los circuitos que ahora veremos son estos:

  • Circuito de polarización de base.
  • Circuito de polarización con realimentación de emisor.
  • Circuito de polarización con realimentación de colector.
  • Circuito de polarización por divisor de tensión.
  • Circuito de polarización de emisor con 2 fuentes de alimentación.
  • Circuito de polarización con realimentación de emisor y realimentación de colector.

Circuito de polarización de base

En este tema habíamos dicho que tomaríamos todos los circuitos en activa, para que más adelante al meter la alterna podamos amplificar.

El circuito en cuestión es el siguiente:

malla de entrada:

IB es muy Estable. VBE varía con la Tª, disminuye 2 mV por cada grado centígrado (-2 mV/ºC), pero como no disminuye mucho que se supone IB = cte.

Y la IC sería:

IC es muy Inestable porque la bcc varía mucho con la temperatura. Por lo tanto tenemos:

  • IB muy estable
  • IC muy inestable

¿Cual me interesa que sea muy estable?

Interesa que Q esté centrado y que no se mueva con la Tª.

Como Q depende de IC, el circuito anterior es muy malo porque el punto Q es inestable.

Circuito de polarización con realimentación de emisor

En este circuito la resistencia de realimentación es RE.

Haremos la prueba de desestabilizar el punto Q.

IC intenta aumentar mucho. Pero al aumentar la IC, aumenta la VE.

Entonces vemos que se da un fenómeno de "autorregulación", intenta aumentar mucho pero al final aumenta menos. Aunque no se estabiliza, se desestabiliza menos, esa "auto corrección" se llama realimentación.

A este efecto de que una variable de salida afecte a la entrada se le llama realimentación, la salida afecta a la entrada, se auto corrige. Además se le llama "Realimentación negativa" porque un aumento supone una disminución. Si un aumento supusiera otro aumento sería una "Realimentación positiva".

En amplificadores es muy importante la realimentación, como se verá más adelante. Seguimos analizando el circuito. Malla de entrada:

Ejemplo: Para ver como se mueve el punto Q.

VCC = +15 V     RC = 910 W    RB = 430 W   RE = 100 W    VBE = 0,7 V

Recta de carga:

Se ha movido mucho pero menos que el anterior.

Cuanto menor sea este resultado, mejor será el circuito, esto sirve para comparar circuitos. Para mejorar el circuito se puede hacer:

Se suele coger 100 veces mayor RE.

Veamos si se cumple en este circuito.

No se cumple. RE debería ser RE = 430 kW. Pero poner RE = 430 kW hace que casi toda la tensión de VCC vaya a RE y la VCE es pequeña, y el circuito entra en saturación y no funciona como amplificador, el remedio es peor.

Circuito de polarización con realimentación de colector

El circuito es el siguiente:

Veamos como se comporta la Tª.

Y la IC aumenta menos de lo que pretendía, realimentación negativa, se ha compensado en parte.

Malla de entrada:

Hacemos como antes:

Recta de carga. Malla de salida:

Si los comparamos:

  • Circuito de polarización por realimentación de emisor: = 6....mA
  • Circuito de polarización por realimentación de colector: = 3.81 mA

Este último es mejor por ahora. De antes teníamos:

Para que se mueva lo menos posible, el b tiene que afectar lo menos posible, interesa que RC influya más que RB/b, para eso:

RC normalmente no se suele poder elegir, no se puede elegir normalmente. Entonces la RB se elegirá la menor posible.

Hay que recordar que en le circuito anterior de realimentación de emisor si cogíamos RB muy pequeña se saturaba. En este circuito, a medida que disminuya RB se iba acercando a saturación, no se saturaba pero se acercaba mucho. Por eso no es útil, porque se acerca mucho a saturación (aunque nunca llegue a los VCE = 0.2 V de saturación).

¿Que debería hacer para que Q estuviera centrado? Para que esto ocurra:

No se pueden cumplir los dos, si está centrado no es estable y viceversa.

Y este circuito no es bueno por esa razón, aunque sea mejor que los anteriores, es todavía bastante inestable.

Circuito de polarización por divisor de tensión

En todo circuito que quiera que se auto compense tiene que haber una resistencia de realimentación, en este caso es RE, que hace que sea estable el punto Q.

Veamos como se comporta si variamos la temperatura o cambiamos de transistor (C.T.).

Y se compensa en parte la IC, se mueve pero menos. Es un circuito muy bueno, la compensación no es total pero casi, es una compensación muy buena. Este circuito es el que se utiliza mayoritariamente por ser bueno, barato y efectivo.

Lo analizaremos como siempre de 2 formas: Análisis aproximado y exacto.

Aproximado (ideal).

Primeramente modificaremos un poco el circuito:

Ahora aplicaremos Thévenin:

Aproximamos: RTH = 0. Malla de entrada:

El punto Q es estable. Tenemos lo ideal, no está la b. Lo único que varía algo es la VBE, pero es una variación pequeña respecto a VTH, entonces es casi constante la IC.

Exacto

Aprovechamos lo calculado anteriormente:

Interesa que RTH/b influya poco respecto a RE. Hacemos RE 100 veces mayor que RTH/b.

Pero es difícil que se cumpla esto porque RTH es el paralelo de R1 y R2, y de estas dos resistencias la más pequeña suele ser R2, entonces si aproximamos para verlo mejor:

Para que esto funcione correctamente hemos dicho que se tiene que cumplir lo siguiente:

Pero si pongo R2 muy pequeño, la IR2 es grande y es aproximadamente IR1 y esa intensidad va a la F.A., entonces el condensador y los diodos de la F.A. tienen que resistir mucha intensidad y podría dar problemas.

Otro problema se da en alterna:

Cuando amplificamos la onda es muy importante la impedancia de entrada (Zi) y tiene que ser de un valor concreto. Su valor es:

No se puede hacer la Zi todo lo pequeña que se quiera y eso es una pega, se estropea la Zi en alterna. Hay 2 pegas:

  • El consumo
  • La Zi

Para resolver eso los diseñadores cogen en vez de 0,01RB*b suelen coger un poco mayor, 0,1RE*b.

Y así Q es bastante estable, aunque no sea tan estable como antes.

Ejemplo:

Como siempre aplicamos Thévenin y calculamos IB e IC para los distintos valores de b.

Ahora calculamos el VCE y dibujamos la gráfica:

Vemos que el punto Q varía muy poco para distintos valores de b. Esto lo vemos con la variación de IC.

Para ver la estabilidad del circuito estudiaremos el caso más crítico, que es el valor más pequeño de b, si se cumple para este valor se cumple en todos los demás casos, porque es el peor caso.

No se cumple el muy estable, veamos ahora el "Bastante Estable".

Es bastante estable porque se cumple la ecuación, esto quiere decir que esta bastante bien diseñado el circuito.

Circuito de polarización por divisor de emisor con 2 fuentes de alimentación

Simulación

El circuito es el siguiente:

Veamos si el punto Q es estable como siempre de dos formas: Aproximada y exacta.

  • Aproximada (IDEAL)

Aproximamos:

Es constante, por lo tanto Q es estable.

  • Exacta

Antes teníamos VB = 0.033 V.

Conviene que influyan en es proporción:

Se toma 100 veces mayor:

Conclusión:

Este último circuito es el mejor junto con el divisor de tensión. Viéndolo con valores:

b = 100 no es tan estable.

b = 300 si se cumple es muy estable.

En este applet podemos ver la estabilidad del "Circuito de polarización con 2 fuentes de alimentación".

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

En el área de "Resultados" podemos ver el valor de la corriente de colector para cada caso y el applet nos dirá si con esos valores el circuito es estable o no es estable.

Para realización de esta simulación se han tomado estas equivalencias:

VEE = + 15 V      VBE = 0,7 V       RE = Re      RB = Rb      RC = Rc       b = Beta

Circuito de polarización con realimentación de emisor y realimentación de colector

Con este circuito se intenta obtener polarizaciones más estables para los circuitos con transistores. Para ello se usa una combinación de una resistencia de emisor y una resistencia de colector.

Para que sea estable se tiene que cumplir:

Pero el problema es que si RC y RE son muy grandes el valor de VCE tiene que ser pequeño y puede llegar a saturación, por eso no se puede hacer todo lo grande que se quiera.

En este applet podemos ver la estabilidad del "Circuito de polarización con realimentación de emisor y realimentación de colector".

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

En el área de "Resultados" podemos ver el valor de la corriente de colector para cada caso y el applet nos dirá si con esos valores el circuito es estable o no es estable.

Para realización de esta simulación se han tomado estas equivalencias:

VCC = + 15 V      VBE = 0,7 V       RE = Re      RB = Rb      RC = Rc       b = Beta

Problemas

Problema 8.1.

Problema 8.2

Problema 8.1.

Calcular el valor de Vsal en el circuito de la figura de forma exacta:

Solución:

Lo hacemos de forma exacta, como nos lo pide en el enunciado. Hipótesis: Activa.

Todo esto se ha hecho suponiendo que estamos en Activa. Ahora hay que comprobarlo.

Los 2 transistores están en activa, por lo tanto, la hipótesis es correcta y los resultados son válidos.

Problema 8.2

Calcular el valor de ILED en el circuito de la figura:

Solución:

Aplicamos Thévenin a la parte izquierda del circuito un vez colocado adecuadamente para aplicar este teorema:

Cuidado con la malla de entrada, siempre es por BE y en este caso está arriba.

El valor de esa ILED es positivo porque es una intensidad saliente, si fuese entrante sería negativa. Ahora comprobaremos si la suposición de activa es correcta, para ello el valor de VCE tendría que ser negativo.

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