Electrnica II Polarizacin de DC para BJT. Universidad del Caribe. RD Fidel Espinal 2008-5042 IntroduccinEs aquel dispositivo electrnico que est constituido por tres materiales semiconductores extrnseco, de forma PNP o NPN, es decir, porcin de material N, seguido de material P, luego otra porcin de material N, en el tipo NPN, y de forma anloga en el PNP, pero con los materiales semiconductores inversos. El transistor BJT se conoce tambin como transistor bipolar, porque la conduccin es a travs de huecos y electrones. Existen una gran variedad de circuitos de polarizacin, dentro de los cuales podemos identificar claramente cuatro tipos bsicos: a) circuito de polarizacin fija (corriente de base constante) b) circuito de polarizacin estabilizada por emisor c) circuito de polarizacin por divisor de voltaje (tipo H o universal) d) circuito de polarizacin por realimentacin de colector

El transistor bipolar o BJT de construccin bsica consiste en dos uniones PN produccin de tres terminales de conexin con cada terminal se le asigna un nombre para distinguirlo de los otros dos. Estos tres terminales son conocidos y etiquetados como el emisor ( E ), la base ( B ) y el colector ( C ), respectivamente.

1947 Laboratorios Bell AT&T Primer transistor 1949 W. Shockley Teoria William Shockley ; John Barden, Walter Brattain. 1951 Fabricacin en serie.

Estados de FuncionamientoSe diferencian tres estados de funcionamiento, que dependen de las caractersticas dinmicas del circuito en el que va conectado. Estas caractersticas son: 1. Saturacin. El transistor permite el paso de corriente desde el colector al emisor. De todas formas esta corriente no puede ser demasiado elevada, ya que la propia corriente calienta al transistor por efecto Joule y si se calienta excesivamente, puede estropearse de forma permanente.

Para un transistor de silicio que se encuentra en saturacin la tensin entre la base y el emisor es de 0,7 V y entre la base y el colector de unos 0,5 V, de donde se deduce que la tensin entre el colector y el emisor ser de unos 0,2 V. 2. Corte. En este estado el transistor no permite el paso de corriente entre el colector y el emisor, se comporta como si fuera un interruptor abierto.

Para un transistor de silicio que se encuentra en corte las corrientes de emisor y de colector son nulas y las tensiones entre la base y el emisor y entre la base y el colector son ambas menores de 0,7 V. 3. Amplificacin. Cuando un transistor se encuentra en este estado de funcionamiento, permite amplificar la potencia de una seal. Por lo tanto si lo que se pretende es que el transistor se comporte como un interruptor controlado electrnicamente, lo nico que hay que conseguir es que pase de los estados de saturacin a corte y viceversa. Eso s hay que tener en cuenta las limitaciones de corriente, para no deteriorarle.

Similitud entre ConfiguracionesA medida que el transistor bipolar o BJT es un dispositivo de tres terminales, hay bsicamente tres formas posibles de la conectan dentro de un circuito electrnico con un terminal de ser comn a la entrada y salida. Cada mtodo de conexin de responder de forma diferente a su seal de entrada dentro de un circuito como las caractersticas estticas del transistor variar con cada disposicin de circuito. Configuracin de base comn - tiene una ganancia de tensin pero no de ganancia actual. Configuracin de emisor comn - tiene tanto la ganancia de corriente y tensin. Configuracin de colector comn - tiene Ganancia de corriente, pero no ganancia de tensin. Aunque el transistor posea nicamente tres terminales, se puede realizar su estudio como un cuadripolo (dos terminales de entrada y dos de salida) si uno de sus terminales es comn a la entrada y salida: Base comn (BC): Aicc=1; Re pequea; Rs muy grande. Colector comn (CC): Aicc elevada; Re muy grande; Rs muy pequea. Emisor comn (EC): Aicc elevada; Re pequea; Rs grande. El montaje EC se aproxima ms al amplificador de corriente ideal. El montaje BC permite adaptar una fuente de baja resistencia que ataca a una carga de alta resistencia. El montaje CC adapta una fuente de alta resistencia de salida a una carga de bajo valor

Circuito de Polarizacin Fija

El circuito de polarizacin fija de la figura 4.2 proporciona una introduccin relativamente directa y simple al anlisis de polarizacin de cd de transistor. Aun cuando la red emplea un transistor NPN, las ecuaciones y clculos se aplican en forma correcta por igual a una configuracin PNP con slo cambiar todas las direcciones de corriente y polaridades de voltaje. Las direcciones de corriente de la figura 4.2 son las direcciones de corriente reales, y los voltajes se definen por la notacin estndar de subndice doble. Para el anlisis de cd la red puede aislarse de los niveles de ca indicados, remplazando los capacitores por un circuito abierto equivalente. Adems, la fuente de cd VCC puede dividirse en un par de fuentes (para propsitos del anlisis solamente), como se ilustra en la figura 4.3, para permitir una separacin de los circuitos de entrada y de salida. Esto reduce tambin el enlace entre las dos a la corriente de base IB. La separacin es ciertamente vlida, como observamos en la figura 4.3, ya que VCC se conecta directamente a RB y RC del mismo modo,que en la figura 4.2.

Figura 4.2 Circuito de polarizacin fija.

Figura 4.3 Equivalente de cd de la figura 4.2

Polarizacin directa de Base-Emisor

Considrese primero la malla circuito base-emisor que se muestra en el diagrama de circuito parcial de la figura 4.4. Escribiendo la ecuacin de voltaje de Krchhoff para la malla obtenemos Ntese la polaridad de la cada de voltaje a travs de RB, como se establece por la direccin indicada de IB. Resolviendo la ecuacin para la corriente IB se tendr el siguiente resultado: IB = (VCC - VBE) / RB En realidad, la ecuacin (4.4) no es difcil de recordar si se considera simplemente que la corriente de base es la corriente a travs de RB y, por la ley de Ohm, esa corriente es el voltaje a travs de RBdividido entre la resistencia RB. El voltaje a travs de RB es el voltaje aplicado VCC en uno de los extremos menos la cada a travs de la unin base-emisor (VBE).

Figura 4.4 Malla de colector-emisor

Figura 4.5

La seccin de colector-emisor de la red aparece en la figura 4.5 con la direccin indicada de la corriente IC y la polaridad resultante a travs de RC. La magnitud de la corriente de colector se relaciona directamente con IB por medio de IC = b IB Es interesante notar que, en vista de que la corriente de base se controla por el nivel de RB e IC se relaciona con IB por una constante b la magnitud de IC no es una funcin de la resistencia RC. El cambio de RC a cualquier nivel no afectar el nivel de IB o IC en tanto que permanezcamos en la regin activa del dispositivo. Sin embargo, como veremos posteriormente, el nivel de RC determinar la magnitud de VCE, el cual es un parmetro importante. Aplicando la ley de voltaje de Kirchhoff en la direccin de las manecillas del reloj a lo largo de la malla indicada en la figura 4.5, se obtendr el resultado siguiente VC + ICRC - VCC = 0 VCE = VCC - ICRC el que establece en palabras que el voltaje a travs de la regin de colector-emisor de un transistor en la configuracin de polarizacin fija es la fuente de voltaje menos la cada a travs de RC. Como un breve repaso de la notacin de subndice y doble subndice, recurdese que VCE = VC - VE donde VCE es el voltaje de colector a emisor y VC y VE son los voltajes de colector y emisor a tierra, respectivamente. Pero en este caso, ya que VE = 0 V, tenemos VCE = VC Adems, puesto que VBE = VB - VE y VE = 0 V, entonces VBE = VB

Circuito de Polarizacin Estabilizado en Emisor

Para este tipo de polarizacin hay que mencionar que el punto Q no es muy estable y que a medida que el transistor este trabajando, este punto tiende a desplazarse. Para compensar las variaciones de tensin y corriente que se producen en el transistor, podemos agregar una resistencia en el emisor. Si lo que queremos es mantener el mismo punto Q del circuito anterior (polarizacin fija), debemos recalcular las resistencias de base y colector, y calcular la nueva resistencia de emisor. Considrese primero la malla circuito base-emisor que se muestra en el diagrama de circuito parcial de la figura 4.4. Escribiendo la ecuacin de voltaje de Krchhoff para la malla obtenemos Ntese la polaridad de la cada de voltaje a travs de RB, como se establece por la direccin indicada de IB. Resolviendo la ecuacin para la corriente IB se tendr el siguiente resultado: IB = (VCC - VBE) / RB En realidad, la ecuacin (4.4) no es difcil de recordar si se considera simplemente que la corriente de base es la corriente a travs de RB y, por la ley de Ohm, esa corriente es el voltaje a travs de RBdividido entre la resistencia RB. El voltaje a travs de RB es el voltaje aplicado VCC en uno de los extremos menos la cada a travs de la unin base-emisor (VBE).Malla de base-emisor

La malla de base a emisor de la red de la figura 4.17 se puede volver a dibujar, como se ilustra en la figura 4.18. Al aplicar la ley de voltaje de Kirchhoff alrededor de la malla indicada en direccin de las manecillas del reloj, obtendremos como resultado la siguiente ecuacin: VCC - IBRB - VBE - IERE = 0 Recordando que IE = (b + 1)IB Sustituyendo a IE en la ecuacin (4.15) da por resultado VCC - IBRB - VBE - (b + 1)IBRE = 0 Agrupando trminos, nos da lo siguiente: -IB(RB + (b + 1)RE) + VCC - VBE = 0 Multiplicando todo por (-1), obtenemos IB(RB + (b + 1)RE) - VCC + VBE = 0 y resolviendo IB llegamos a IB = (VCC - VBE)/(RB + b (RC+RE)) Ntese que la nica diferencia entre esta ecuacin para IB y la obtenida para la con figuracin de polarizacin fija es el trmino (b + 1) RE. Hay un resultado interesante que puede derivarse de la ecuacin (4.17) si la ecuacin se utiliza para trazar una red en serie que resultara en la misma ecuacin. Tal es el caso para la red de la Figura 4.19. Resolviendo para la corriente IB resultar la misma ecuacin obtenida anteriormente. Advirtase que al lado del voltaje de base a emisor VBE el resistor RE es reflejado a la entrada del circuito de base por un factor (b + 1). En otras palabras, el resistor de emisor, el cual es parte

de la malla de colector-emisor, "parece como" (b + 1 )RE en la malla de base-emisor. Puesto que b es por lo general 50 o ms, el resistor de emisor parece ser mucho ms grande en el circuito de base; tanto, para la configuracin de la figura 4.20.

Figura 4.17 Circuito de polarizacin BJT con resistor de emisor.

Figura 4.18 Malla de base-emisor

Figura 4.19 Malla de base-emisor

Malla de Colector-Emisor

Aplicando la ley de voltaje de Kirchhoff para la malla indicada en direccin de las manecillas del reloj, resultar que IERE + VCE +ICRC - VCC = 0 Sustituyendo IE =IC y agrupando trminos, se obtiene VCE - VCC + IC(RC + RE) = 0 VCE = VCC + IC(RC + RE) El voltaje con subndice sencillo VE es el voltaje de emisor a tierra y se determina por VE = IERE mientras que el voltaje de colector a tierra puede determinarse a partir de VCE = VC - VE VC = VCC - ICRC E1 voltaje en la base con respecto a tierra puede determinarse a partir de VB = VCC - IBRB

VB = VBE + VE

Estabilidad de Polarizacin Mejorada

La adicin de la resistencia de emisor a la polarizacin de cd del BJT proporciona una mejor estabilidad; esto es, las corrientes y voltajes de polarizacin de cd se mantienen ms cerca de los puntos donde fueron fijados por el circuito aun cuando cambien las condiciones externas como el voltaje de alimentacin, la temperatura e incluso la beta del transistor. Aunque el anlisis matemtico puede obtenerse cierta comparacin del mejoramiento.El Nivel de Saturacin del colector o la comente del colector mxima para un diseo polarizado de emisor

puede determinarse mediante el mismo enfoque empleado en la configuracin de polarizacin fija: aplicar un corte circuito entre las terminales colector-emisor, como se ilustra en la figura 4.23, y calcular la corriente del colector resultante. Para la figura 4.23: ICsat = VCC / (RC +RE) La adicin del resistor de emisor reduce el nivel de saturacin del emisor debajo del nivel que se obtiene con una configuracin de polarizacin fija por medio del mismo resistor del colector.

Circuito de Polarizacin por Divisor de VoltajeCircuito de polarizacin por divisor de voltaje: con este tipo de polarizacin la estabilidad del punto Q es mucho mejor, es decir a medida que el transistor este trabajando, los valores de ICQ, VCEQ se mantendrn casi inalterables. Es por esta razn que este tipo de polarizacin es la ms utilizada cuando se trata de disear un amplificador. Para determinar los valores de las resistencias de polarizacin, seguiremos considerando los mismos criterios de diseo, como ya mencionamos anteriormente, los cuales facilitan el clculo de las resistencias.

Anlisis exacto La parte de entrada de la red de la figura 4.25 puede volverse a dibujar, como se muestra en la figura 4.27, para el anlisis de cd. La red de Thvenin equivalente para la red a la izquierda de la terminal de base puede hallarse entonces de la siguiente manera: RTh: La fuente de voltaje se reemplaza por un corto circuito equivalente, como se ilustra en la figura 4.28. RTh = R1 R2 ETh: La fuente de voltaje VCC se reintegra a la red y el voltaje Thvenin del circuito abierto de la figura 4.29 se determina como sigue: Aplicando la regla del divisor de voltaje: ETh = VR2 = R2VCC / (R1 + R2) La red Thvenin se vuelve a dibujar entonces, como se ilustra en la figura 4.30,e IBQ se puede determinar al aplicar en primer lugar la ley de voltaje de Kirchhoff en direccin de las manecillas del reloj para la malla indicada: ETh - IBRTh - VBE -IERE = 0 Sustituyendo IE = (b + 1)IB y resolviendo IB

Anlisis aproximado La seccin de entrada de la configuracin con divisor de voltaje puede representarse por medio de la red de la figura 4.32. La resistencia R es la resistencia equivalente entre base y tierra para el transistor con un resistor de emisor RE. Recuerde que la resistencia reflejada entre la base y el emisor se define por Ri (b + 1) RE, Si Ri es mucho mayor que la resistencia R2, la corriente IB ser mucho menor que I2 (la corriente siempre busca la trayectoria de menor resistencia) e I2 ser aproximadamente igual a I1. Si aceptamos la aproximacin de que IB es de 0 amperios comparada con I1 o I2 entonces I1 I2 y R1 y R2 pueden considerarse elementos en serie. El voltaje a travs de R2, que es en realidad el voltaje de base, puede determinarse por medio de la regla del divisor de voltaje (y de aqu proviene el nombre para la configuracin). Es decir, VB = R2VCC / (R1 + R2) Puesto que R1 (b + 1) RE b RE la condicin que definir si el enfoque aproximado puede aplicarse ser la siguiente: b RE 10 R2 En otras palabras, si el valor de beta multiplicado por RE es al menos 10 veces el valor de R2, el enfoque aproximado puede aplicarse con un alto grado de precisin. Una vez que se determina VB, el nivel de VE se puede calcular a partir de VE = VB - VBE y la comente de emisor se puede determinar a partir de IE = VE / RE ICQ IE El voltaje de colector a emisor se determina por VCE = VCC - ICRC - IERE pero, ya que IE = IC, VCEQ = VCC - IC(RC + RE) Advierta que en la secuencia de los clculos, de la ecuacin (4.33) a la ecuacin (4.37), no aparece beta e IB no fue calculada. El punto Q (como se determina por ICQ y VCEQ) es por tanto independiente del valor de beta. Saturacin del transistor El circuito colector-emisor de salida para la configuracin con divisor de voltaje tiene el mismo aspecto que el circuito polarizado de emisor analizado en la seccin 4.4. La ecuacin resultante para la corriente de saturacin (cuando VCE se establece a cero voltios en el diagrama) es, por tanto, la misma que se obtiene para la configuracin polarizada de emisor. Es decir, ICsat = ICmx = VCC / (RC + RE)

Anlisis por recta de carga Las similitudes con el circuito de salida de la configuracin polarizada de emisor resultan en las mismas intersecciones para la recta de carga de la configuracin con divisor de voltaje. La recta de carga tendr por consiguiente el mismo aspecto que la de la figura 4.24, con el nivel de IB se determina, por supuesto, por una ecuacin distinta para la polarizacin con divisor de voltaje y las configuraciones polarizadas de emisor.

Polarizacin de DC con Retroalimentacin de Voltaje Un nivel mejorado de estabilidad tambin se obtiene mediante la introduccin de una trayectoria de retroalimentacin desde el colector a la base. El pto Q no es totalmente independiente de beta , la sensibilidad a los cambios en beta o a las variaciones en temperatura son menores que los encontrados en polarizacin fija o polarizacin en emisor.

Polarizacin Un material dielctrico (aislante) puede verse como un conjunto de muchas cargas elctricas dipolares (de un lado positiva y del otro lado negativa). Si no existe estmulo externo, estas cargas estn "desordenadas"; es decir, apuntan en diferentes direcciones y la carga neta total es igual a cero. Cuando se aplica un campo elctrico externo, (por ejemplo acercando el material a un objeto fuertemente cargado elctricamente), la carga elctrica en el material se POLARIZA, es decir se "ordenan" alinendose en la direccin del campo. Eso produce que la carga total del material sea distinta de cero, lo que le da la propiedad de atraer o repeler otros objetos. En algunos materiales la POLARIZACIN es permanente y en otros slo dura mientras estn cerca del campo que los est polarizando.

Malla: Se llama malla en un circuito a cualquier camino cerrado.

FIG. 1 En el ejemplo de la figura hay tres mallas: ABEF BCDE ABCDEF El contorno de la malla est formado por ramas. Hay tres ramas: EFAB BE BCDE

Saturacin: Regin de funcionamiento de un transistor en que ambas junturas del transistor se hallan polarizadas en directo, lo que causa que el voltaje entre colector y emisor sea muy pequeo (casi 0 voltios). Regin de saturacin: Un transistor est saturado cuando la corriente de colector = lacorriente de emisor = la corriente mxima, (Ic = Ie = I mxima) En este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentacin del circuito y de los resistores conectados en el colector o el emisor o en ambos, ver L a ley de Ohm. La Recta de Carga es una herramienta que se emplea para hallar el valor de la corriente y la tensin del diodo. Las rectas de carga son especialmente tiles para los transistores, por lo que ms adelante se dar una explicacin ms detallada acerca de ellas. Estas son las distintas formas de analizar los circuitos con diodos: EXACTA POR TANTEO: Ecuacin del diodo exponencial y ecuacin de la malla. MODELOS EQUIVALENTES APROXIMADOS: 1 aproximacin, 2 aproximacin y 3 aproximacin. DE FORMA GRFICA: Recta de carga.

Hasta ahora hemos visto las 2 primeras, la tercera forma de analizarlos es de forma grfica, esto es calculando su recta de carga.

Divisor de voltaje Un divisor de voltaje consta de al menos dos resistencias en serie con una fuente de voltaje. Para dos resistencias el voltaje se divide de acuerdo con V1 = V R1 / (R1 + R2) y V2 = V R2 / (R1 + R2)

Bibliografa http://roble.pntic.mec.es/~jsaa0039/cucabot/bipolar-intro.html http://www.unicrom.com/Tut_transistor_bipolar.asp http://jorgemendozapua.blogspot.com/ http://quintonochea.wikispaces.com/