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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