ELECTRÓNICA I

ELECTRÓNICA I
Transistor BJT (Bipolar Junction Transistor)
Docente: Paola Andrea Peñaloza Herrera
El transistor bipolar consiste en un dispositivo semiconductor de 3 capas: Emisor, Base y Colector.
-
Emisor: Inyecta electrones hacia la base.
Base: Deja pasar hacia el colector la mayor parte de los electrones inyectados por el
emisor.
Colector: Recoge la cantidad de electrones provenientes de la base.
El BJT es considerado un amplificador de corriente, debido a que, cuando se introduce una
cantidad de corriente por la Base, el Emisor entrega una corriente mayor en un factor de
*
amplificación llamado β(Beta) el cual es un dato propio de cada transistor.
* β(Beta): Se conoce como ganancia de corriente de emisor común o simplemente como ganancia
de corriente, ya que, en el BJT, una pequeña corriente de base produce una corriente mayor de
colector.
β = IC / IB
Para BJT de baja potencia, el β se encuentra entre 100 y 300, mientras que para BJT de alta
potencia (mayor a 1W), éste parámetro se encuentra entre 20 y 100.
β
En esta gráfica se puede ver la influencia de 3
factores importantes en el valor de la ganancia de
corriente: Temperatura, corriente de colector y el
transistor (cada transistor tiene un β de fábrica).
I.SIMBOLOGÍA:
Según el material del que se compone cada capa, existen los siguientes tipos de transistores
bipolares:
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Docente: Paola Andrea Peñaloza Herrera
TRANSISTOR NPN


TRANSISTOR PNP
Unión BASE-EMISOR: Se denomina diodo emisor
Unión BASE-COLECTOR: Se denomina diodo colector
II. CURVAS CARACTERÍSTICAS:
1. Curva de entrada de un BJT:
III. ZONAS DE FUNCIONAMIENTO:
El transistor bipolar cuenta con las siguientes zonas:
1. Zona activa
2. Zona de saturación
3. Zona de corte
4. Zona de ruptura
2. Curva de salida de un BJT:
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1. Zona Activa
- Polarización de los diodos emisor y colector:
Diodo Emisor: DIRECTA
Diodo Colector: INVERSA
- La corriente que circula por el colector (IC) es independiente del voltaje entre colector y emisor
(VCE) por lo cual se dice que en la zona activa, el BJT se comporta como una fuente de corriente.
IC
- Corrientes de emisor, base y colector:
 IE = IC + IB
 IB = IC / β
 IC = (β / β+1).IE
α: Ganancia de corriente de base común
IB
β*IB
VBE
IE
Circuito equivalente de BJT en zona activa
- En esta zona el BJT es utilizado para la amplificación de señales.
2. Zona de saturación
- Polarización de los diodos emisor y colector:
Diodo Emisor: DIRECTA
Diodo Colector: DIRECTA
- La corriente de colector (IC) aumenta hasta su valor máximo posible mientras VCE tiende a cero.
- Existen 2 tipos de saturación: la saturación fuerte (VBC > 400mV) que mantiene al BJT en la zona
de saturación independientemente de los cambios que se den en la corriente de colector, la T° o
incluso, el cambio de transistor en el circuito. Además, la ganancia de corriente en saturación (βSAT)
es mucho menor que la ganancia de corriente en zona activa.
Por otra parte, la saturación suave se refiere al estado en el que el transistor apenas ha entrado
en la zona de saturación y por lo tanto, puede salirse con más facilidad de esta zona en
comparación con la saturación fuerte. En este tipo de saturación, βSAT es un poco menor que el β
de la zona activa.
- Para obtener el valor de IC (SAT) y de βSAT, se realiza un “corto-ckto imaginario” entre el colector y el
emisor (VCE = 0).
- En la zona de saturación, el BJT es utilizado como interruptor cerrado para circuitos digitales.
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3. Zona de corte
- Polarización de los diodos emisor y colector:
Diodo Emisor: INVERSA
Diodo Colector: INVERSA
- Se obtiene el mayor VCE posible (VCC) mientras la corriente de colector tiende a cero.
- IE = IC = IB = 0
- En esta zona el BJT es utilizado como interruptor abierto para circuitos digitales.
4. Zona de ruptura
El BJT nunca debe funcionar en esta zona ya que sería altamente probable su destrucción o
degradación.
¡¡¡Importante!!!
=
Cuando la fuente de tensión del
colector y la base son iguales, el circuito
se puede redibujar de esta manera.
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IV.CIRCUITOS DE POLARIZACIÓN:
Los circuitos de polarización permiten estabilizar el comportamiento del transistor frente a
factores como la temperatura y el
β;
el valor de este último, suele ser diferente entre un
transistor y otro, además de modificarse según el punto de operación del transistor (el valor de β
en zona activa es diferente al que se obtiene en zona de saturación).
1. POLARIZACIÓN DE BASE: Consiste en establecer un valor constante para la corriente de base.

Malla de base: VCC = IB*RB + VBE , en donde,
IB = (VCC – VBE) / RB
IB es independiente de los cambios de T° e incluso, del cambio del
valor de β en caso de utilizar otro transistor.

Malla de colector:
VCE = VCC – RC*IC , en donde, IC = β*IB
Por lo tanto, el punto de operación de un BJT con polarización de base viene dado por:
Punto Q:
VCE = VCC – RC*IC
IC = β*IB = β *[ (VCC – VBE) / RB ]
Punto de trabajo (Q) y recta de carga:
El punto de trabajo de un BJT con polarización de base, se afecta por el cambio de β, debido a que
variaciones del valor de β, produce variaciones en la corriente de colector.
β*IB = 21.45mA
β*IB = 7.15mA
VCC = 15
a. “Punto Q” para β =100
b. “Punto Q” para β =300
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Para calcular los puntos extremos de la recta de carga, se procede de la siguiente manera:
1. Punto extremo superior: Cálculo de IC(máx)
Partiendo de la ecuación obtenida en la malla de colector: VCE = VCC – RC*IC
se obtiene IC(máx) haciendo VCE = 0V, por lo cual: IC(MAX) = VCC / RC .
El punto extremo superior de la recta de carga se suele llamar “punto de saturación”, ya que
consiste en el punto en el que la recta de carga corta a la zona de saturación de la curva
característica de salida. Debido a esto, se deduce que IC(MAX) = IC(SATURACIÓN)
2. Punto extremo inferior: Cálculo de VCE (máx)
Partiendo de la ecuación obtenida en la malla de colector: VCE = VCC – RC*IC
se obtiene VCE (máx) haciendo IC = 0, por lo cual: VCE(MAX) = VCC .
El punto extremo inferior de la recta de carga se suele llamar “punto de corte”, ya que consiste en
el punto en el que la recta de carga corta a la zona de corte de la curva característica de salida.
Debido a esto, se deduce que VCE(MAX) = VCE(CORTE)
Intersección de la recta de carga
con la curva IB (corriente de base)
respectiva.
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Circuitos multivibradores (Aplicación del BJT con polarización de base):
Los multivibradores son circuitos generadores de ondas cuadradas. Existen 2 formas de producir
dicha oscilación:
- A partir de la fuente de alimentación, el circuito cambia de un estado a otro
automáticamente (sin intervención de una fuente externa). En este caso, se denominan
multivibradores astables.
- A partir de una señal de disparo o un impulso. En este caso, existen 2 tipos de
multivibradores: los monoestables, que al recibir la señal de disparo, cambian de estado y
y pasado un período de tiempo regresan a su estado inicial permaneciendo allí hasta
volver a recibir la señal de disparo. Por otra parte, los multivibradores biestables tienen la
capacidad de cambiar de un estado a otro cada vez que reciben la señal de disparo, es
decir, a diferencia de los multivibradores astables, requieren de una señal externa para
dispararse de un estado a otro. Por lo tanto, permanecen en cada estado hasta que
reciban la señal (pueden permanecer indefinidamente en un mismo estado).
1. Multivibradores monoestables con BJT´s:
2 a 9V
+V
R1
1k
Vout1
R2
10k
R3
39k C1
100uf
Q2
NPN
R4
1k
Vout2
Q1
NPN
S1
R6
10k
El transistor Q2 permanece conduciendo normalmente mientras que Q1 tiene su conducción
cerrada; cuando la base de Q2 queda brevemente en corto con tierra, el circuito cambia de estado
pero tras un período de tiempo (determinado por la constante R3*C1) regresa automáticamente a
su condición original. El circuito puede ser disparado electrónicamente mediante la aplicación de
un impulso negativo a la base de Q2. La salida puede tomarse de cualquiera de los dos colectores.
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2. Multivibradores biestables con BJT´s:
2 a 18V
+V
R1
1k
Vout1
R4
1k
R2
10k
R3
10k
Vout2
Q2
NPN
Q1
NPN
S1
R5
10k
R6
10k
S2
Uno de los dos transistores, Q1 o Q2, está conduciendo mientras el otro tiene su conducción
cerrada y viceversa. Cuando la base de Q1 queda cortocircuitada con tierra momentáneamente,
el circuito cambia de estado, ya que entra a conducir el transistor Q2; de esta manera, el circuito
cambiará nuevamente de estado cuando la base de Q2 quede cortocircuitada con tierra en donde
entrará a conducir nuevamente el transistor Q1. La salida puede obtenerse de cualquiera de los
dos colectores.
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2. POLARIZACIÓN DE EMISOR: Consiste en establecer una corriente fija en el emisor.

Malla de base: VBB = VBE + VE , por lo tanto,
VE = VBB – VBE y por Ley de Ohm, IE = VE / RE

Malla de colector: VCC = IC*RC + VCE + IE*RE
Debido a que en la polarización de emisor no se tiene
*
resistencia de base, se puede asumir que IE =IC
VCE =VC – VE = (VCC – IE*RC) – (VBB – VBE)
*
Nota: Asumir IE =IC implica un error despreciable del 1%
Por lo tanto, el punto de operación de un BJT con polarización de emisor viene dado por:
Punto Q:
- IC = IE = VE / RE
- VCE = (VCC – IE*RC) - (IE *RE )
Punto de trabajo (Q) y recta de carga:
Cuando se trata de amplificadores se necesitan circuitos cuyos puntos Q sean inmunes a los
cambios en la ganancia de corriente, como es el caso de la polarización de emisor. Si se observan
las ecuaciones del punto Q se puede notar que son “independientes” del valor de β.
Al cambiar la resistencia del circuito de base al circuito de emisor, se obliga a que la tensión de la
base (VB) sea igual a la tensión de la fuente de base (VBB).
Cuando se trabaja la polarización de base, casi toda esta tensión aparece en la resistencia de base,
estableciendo una corriente fija en dicho terminal.
Con la polarización de emisor, toda esta tensión de la fuente VBB menos 0,7 V (VBE ), aparece en la
resistencia de emisor, estableciendo una corriente fija en el emisor.
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V.CIRCUITOS AMPLIFICADORES:


Cuando un transistor se ha polarizado con el punto Q cerca del punto medio de la recta de
carga, se puede aplicar a la base una pequeña señal alterna que producirá a su vez una señal
alterna en el colector. La tensión de la señal de colector es una versión amplificada de la
tensión de la señal de la base.
El circuito de polarización tiene 2 funciones importantes en un amplificador con BJT:
1. Mantener al BJT en la zona activa. (punto Q en el centro de la recta de carga).
2. Establecer una corriente de d.c constante (inmune a variaciones de T° o β) en el emisor o
en el colector.
Para comprender la operación del BJT como amplificador, se trabajará con el siguiente circuito (se
trata de un “circuito de análisis”; no se está sugiriendo ningún tipo de polarización, solo es un
modelo para analizar el comportamiento del BJT):
VBE : Fuente de polarización
vbe : Pequeña señal a.c que se desea amplificar (tenga en
cuenta que esta señal se “superpone” sobre VBE)
a. El circuito de polarización se obtiene eliminando la fuente de señal pequeña (corto circuito):




IC = β*IB
IE = *(β+1)/ β+*IC
IB = IE - IC
VCE = VCC – ( IC*RC )
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b. El circuito de señal pequeña se obtiene eliminando las fuentes del circuito de polarización:
La señal pequeña adicionará una componente a.c a cada
parámetro del circuito de polarización analizado
anteriormente.
Por lo tanto, los parámetros del circuito amplificador (ckto.polarización + ckto.señal pequeña)
quedarán definidos de la siguiente manera:
VT : Voltaje térmico (25mV a T° ambiente)
Una señal
superpuesta al voltaje de polarización
genera el siguiente comportamiento en
la corriente de colector (recuerde que por su naturaleza, el BJT se considera un amplificador de
corriente):
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Con la gráfica anterior, se sugiere que un circuito amplificador con BJT consiste en una fuente de
corriente controlada por voltaje, ya que una señal pequeña (vbe ) conectada entre base y emisor,
ocasiona una corriente proporcional en el colector :
Debido a la presencia de RC, se genera también un voltaje en el colector a la salida del
amplificador, el cual, al igual que los demás parámetros del circuito, tiene una componente
continua y la componente que aporta la señal pequeña:
Teniendo en cuenta la malla de colector, se obtiene que:
En donde, el voltaje de colector generado por la señal pequeña es:
NOTA:
El voltaje de colector generado por la señal pequeña, está invertido con respecto a la misma tal y
como lo plantea la ecuación:
Esto se debe a que en el “semiciclo positivo” de la corriente de base (generada por la señal
pequeña), la corriente de colector (de señal pequeña) se incrementa lo que produce a su vez
mayor voltaje en RC; por lo tanto, el voltaje de colector (de señal pequeña) es menor:
Si
entonces
↓
Cuando se presente el “semiciclo negativo” de de la corriente de base (generada por la señal
pequeña), la corriente de colector (de señal pequeña) disminuye lo que produce a su vez menor
voltaje en RC; por lo tanto:
Si
↓
entonces
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En la siguiente figura se muestran las formas de onda obtenidas en un amplificador con
polarización de base:
Sabiendo que la ganancia de voltaje en un amplificador está dada por la relación:
Se obtiene que la ganancia de voltaje en el circuito de análisis es:
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Ejercicio
Para el siguiente circuito, encuentre:
1. VC(AMP) =?
10KΩ
2. IB(AMP) =?
3. AV=?
Solución:
1.


VC = VCC – IC*RC = 15 – (1mA*10KΩ) = 5 voltios
en donde,
por lo tanto, vc = -2 Sinωt
VC(AMP) = 5 -2 Sinωt
2.
IB(AMP) = 10µA + 2µ.sinwt
3. AV = -2sinwt / 0.005sinwt = -400
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RESISTENCIAS DE “ENTRADA A SEÑAL PEQUEÑA”:
En el circuito amplificador existen 2 resistencias (resistencias internas del BJT) que se oponen a la
entrada de la señal pequeña de a.c conectada entre base y emisor:
1. Resistencia de “entrada a señal pequeña” entre base y emisor (rπ):
rπ = β /gm = VT / IB
*gm: Se conoce como “transconductancia” y es la relación entre la corriente de colector de polarización y el
voltaje térmico. (gm = IC / VT ).
2. Resistencia de “entrada a señal pequeña” en el emisor (rE ):
rE = α / gm = VT / IE
De esta forma, la señal pequeña de a.c conectada entre base y emisor, se relaciona con las
resistencias rπ y rE de la siguiente manera:
Partiendo de esta ecuación, se puede obtener una relación entre las 2 resistencias:
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CIRCUITOS EQUIVALENTES PARA PEQUEÑA SEÑAL: A continuación se plantean 2 modelos
equivalentes de un BJT, que hacen referencia a su funcionamiento con una señal pequeña de a.c.
1. Modelo híbrido “π”:
+
+
-
-
a. Fuente de corriente controlada por voltaje
(La fuente de corriente en el colector controlada
b. Fuente de corriente controlada por corriente
(La fuente de corriente en el colector controlada por ib)
por el voltaje base-emisor)
2. Modelo “T”
+
+
-
E
a. Fuente de corriente controlada por voltaje
(La fuente de corriente en el colector controlada
por el voltaje base-emisor)
E
b. Fuente de corriente controlada por corriente
(La fuente de corriente en el colector controlada por ie)
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Configuraciones básicas de amplificadores con BJT´s:
1) Configuración en EMISOR COMÚN (con resistencia en emisor)
La señal pequeña de a.c se conecta entre base y
emisor, mientras que la salida del amplificador se
toma entre colector y emisor (exactamente en el
colector)
2) Configuración en COLECTOR COMÚN
La señal pequeña de a.c se conecta entre base y emisor
mientras que la salida del amplificador se toma en el
emisor.
3) Configuración en BASE COMÚN
La señal pequeña de a.c se conecta en el emisor mientras
que la salida del amplificador se toma en el colector.