Introducción a la Electrónica - Apuntes Teóricos Dr. Ing. David M. Petruzzi UNIDAD Nº 3: EL TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNTURA (TBJ) : Se trata básicamente de un cristal semiconductor de silicio ó germanio, en el cual una “capa” de tipo N se ubica entre dos del tipo P ó viceversa ( PNP ó NPN ). Con lo cual, podemos observar dos diodos en serie y enoposición, teniendo permitido el acceso a tres terminales. Cada región es denominada : Emisor E JE JC JE P N Colector Emisor C E P N JC P Colector C N Emisor ≡ E Base (central) ≡ B Colector ≡ C La Base B Base B flecha indica el sentido de la circulación de la corriente por el diodo EB en directa . En principio, las corrientes se suponen entrantes : IE IE IC E E C VEB B IB VEB VCB Σ I = 0 ⇒ IE + IB + IC = 0 IC C VCB B PNP ( 3.1 ) En funcionamiento normal la unión EB es IB polarizada en directa, en cambio la NPN juntura BC lo estará en inversa. Como consecuencia de ello, los sentidos de las corrientes IB e IC serán opuestos a los indicados en las figura correspondiente a PNP. Para NPN, la que cambia de sentido es IE . 3.1 – Relación entre lascomponentes de corriente : Supongamos tener un tener un transistor PNP al polarizar en directa EB se inyectan huecos en B y electrones en E ( IpE >> InE ). Algunos huecos se recombinan en la base, mientras P IE JE N JC P IPE que otros logran llegar a JC y son acelerados por el IPC (IPE –IPC) E C importante campo eléctrico Ε que existe en la misma. InE ICD IB B 3.2 - Eficiencia de emisor ≡ γ : γ = IpE IpE = IE IE = IB + IC = IpE + InE ≅ IpE (3.2) IB = InE + ( IpE − IpC ) − ICO (3.3) IC = IpC + ICO (3.4) ≅ 1 (3.5) IpE + InE 3.3 – Factor de transporte ≡ β : β * = IpC / IpE (3.6) 3.4 – Ganancia de corriente ≡ α : α = IpE / IE = γ . β * (3.7) Nota: Las tres relaciones de corrientes dependen de : IE ; VCB y T. 11 Introducción a la Electrónica - Apuntes Teóricos Dr. Ing. David M. Petruzzi 3.5 – Configuración Emisor Común (EC): El terminal de emisor es común a las mallas de entrada y de salida . C RB IpC + ICO IC IC = RC IE B =α + IE ICO ⇒ IC = α IE + IC0 VCE IB VBB VBE IE E se demuestra que: [ α / (1 − α ) ] = β ⇒ α = VCC (3.8) IE β β+1 Reemplazando en (3.8): β . (IB+IC) + IC0 ⇒ IC = (β+1) ⇒ (β+1). IC = β.IB + β.IC + (β+1). IC0 ⇒ IC = β.IB + (β+1). IC0 (3.9) Curvas Características típicas : Veamos las curvas características típicas de un TBJ de silicio NPN : Parámetros máximos : Potencia disipada máx. IC máx VCEmáx = BVCEO : avalancha perforación de base 3 1 2 a) de entrada : Se trata básicamente de una familia de curvas diódicas . b) de salida : Su estudio se divide en tres zonas de interés : b1) – Región activa 1 : La juntura CB se polariza en inversa y la de BE en directa . En ésta zona β adquiere un valor importante b2) – Región de corte C 2 : Está definida para : IE = 0 Para lograr esto VBE ≅ 0 (silicio) IC Ici ICD IC = ICi + ICO = β IBi + ICO ⇒ IC = β . IB + ( β + 1) . ICO B IB IBi IB = IBi – ICO ⇒ IBi = IB + ICO IE Ic = + Ico E IE = IBi + ICi = ( β + 1) IBi = 0 IB = – Ico 12 (3.10) Introducción a la Electrónica - Apuntes Teóricos Nota: Dr. Ing. David M. Petruzzi ICO ≡ ICBO ; además ICO aumenta con la temperatura (aproximadamente un 7% por cada ºC, en el caso del silicio). También se comprueba que existe una gran dispersión con los valores de ICO (Los valores típicos son centenas de picoAmperes , pA ). Existe para cada TBJ una tensión máxima de ruptura inversa sin que se dañe el mismo : BVBEO ≡ VBE inversa máxima (con IC = 0). b3) – Región de saturación 3 : Se define como estado de saturación siempre que se cumpla que VCB ≤ 0 (VCE < Vγ) ; es decir , a partir de que la juntura CB queda polarizada en directa. Veremos que en éstas condiciones VCE ≅ 0 y por ende la corriente de colector que prácticamente definida por el circuito exterior al TBJ : VCC – VCE IC = VCC ≅ = ICSAT RC VBB − Vσ VBB – VBE IB = (3.11) RC = RB RB ≅ VCC β RC = IBSAT (3.12) + VCC IC RC RB C IC VBC + RC rCESAT + IB VBB + VBE - VCE VCC VCE min E - Nota : VCE = VBE – VBC = Vσ - VBC ≅ 0 V Modelo en saturación : VCE ≤ Vσ rCESAT = 0,1 Ω ; Vσ = 0,7 V Valores típicos para el silicio : VBE(ON) = 0,5 V ; VCEmín = 10 mV ; Vγ = 0,6 V 3.6 – Otras configuraciones: +VCC Colector Común (CC) Base Común (BC) RE RB VC IB VB IE IC IE + RE - VEE 13 IB RC Introducción a la Electrónica - Apuntes Teóricos IE = IB + IC = IB . (β + 1) Dr. Ing. David M. Petruzzi IE = IB + IC = IC .[ 1 + (1/β) ] ⇒ IC = [ β / (β+1)] . IE = α . IE (3.13) 3.7 – Análisis gráfico de la configuración EC : Se pretende analizar el comportamiento del RB iB circuito mostrado en la figura, en forma gráfica : IC + Q - RC VCE Supongamos que en ausencia de vg (t) (C.A.) : VBB y RB son tales que iB = IB = 150 µA. Vg VCC VBB Si luego vamos agregando vg(t) = Vg . sen ωt ; tal que îb = 50 µA ⇒ 100 µ A ≤ iB ≤ 200 µA . Para cada valor de iB corresponde otro de iC ; tal que : IC ic = β = hFE e = hfe (3.14) IB ib Si luego vamos agregando vg(t) = Vg . sen wt ; tal que îb = 50 mA 100 m A £ iB £ 200 mA . Para cada valor de iB corresponde otro de iC ; tal que : ic IC = β = hFE = hfe IB (3.14) ib Estos parámetros corresponden al modelo EC . Las curvas características de salida , en la zona activa, no son en rigor espaciadas, en hfe (log) líneas paralelas equi- consecuencia una señal Max senoidal en ib(t) no originará una variación Tip. estrictamente senoidal en ic(t) (distorsión que Min. despreciaremos). Ganancia de corriente ic/ib ≡ hfe : IC (log) Este parámetro depende de condiciones de reposo: IC ; VCE ; Tj y f (frecuencia) 14 Introducción a la Electrónica - Apuntes Teóricos Dr. Ing. David M. Petruzzi 3.8 – El transistor en corriente continua : Polarización : Polarizar el TBJ es adoptar un punto de trabajo de modo que opere en una determinada zona (corte, activa ó saturación). En éste curso analizaremos casos correspondientes a la zona activa, es decir, que el punto de trabajo seleccionado debe asegurar que el transistor permanezca en la misma aún cuando se presente una excursión de CA . Por otra parte, recordemos que debe elegirse la zona activa en todas aquellas aplicaciones que requieran linealidad . Punto de trabajo “Q” : Para establecer el punto Q es preciso aplicar tensiones y corrientes continuas adecuadas, utilizando fuentes externas. Si para una dada tensión de entrada sin distorsión se produjese una tensión de salida con distorsión (porque por ejemplo se produce el recorte en una de sus crestas), el punto Q no es adecuado. VCC Tipos de Polarización: IC a) Fija : Se selecciona una corriente IB Vcc − Vγ Vcc – VBE IB = = RB RB = IBQ = cte. IB RC RB Vcc ≅ = cte. RL RB V0 Vi Ic = β. IB ≅ β Vcc / RB Vcc Vcc = VCE + IC.RC ⇒ − Ic = RC VCE RC tg θD = 1 / ( RC // RL ) tg θE = 1 / RC ; Las rectas de carga estática y dinámica tienen un solo punto en común : Q . Para hallar las funciones ic(t) y vce(t) a partir de una ib(t) superpuesta a IBQ nos valemos de la recta de carga dinámica y de los puntos 1 Para un dado y 2 θD puede mejorarse la linealidad variando el punto de reposo Q , por ejemplo a partir de una modificación de la resistencia RB ( IBQ ) . b) Autopolarización : Es un circuito que permite trabajar con Rc bajas e incluso nulas. Presenta la ventaja de poseer una mayor estabilidad frente a variaciones eventuales de los parámetros del TBJ (que se suponen constantes). Es imprescindible acudir a éste tipo de polarización en la configuración EC. 15 Introducción a la Electrónica - Apuntes Teóricos Dr. Ing. David M. Petruzzi Si Ico se incrementa debido a que la temperatura ha hecho lo propio, aumentará Ic ; pero también lo hará VE ; con lo que se contrarrestará dicho incremento, aumentando menos que si RE hubiese sido un cortocircuito ( RE = 0 ). +VCC IC RC R1 B VCE - IB + Vγ Realizando Thévenin en B : + VE IC RT RT + - RE R2 VTT - + RE - VT = Vcc . R2 / (R1 + R2) VCE = Vcc − Ic . ( Rc + RE ) (recta de carga ESTÁTICA) si RT / β << RE ⇒ VT = IB . RT + Vγ + Ic RE Ic = (VT – Vγ) / (RT / β + RE) Ic ≅ ( VT − Vγ ) / RE Aspecto práctico a tener en cuenta a partir de la expresión anterior: Supongamos que por alguna razón, se requiera una determinada IC = ICQ . En ese caso y si además se verificase que: ICQ VCC IBQ = VCC . R2 << β R1 + R2 VE IEQ = ; luego: R1 + R2 VP – Vγ ≈ f (VCC ; Vγ ; R1 ; R2 ; RE) = RE VP ≈ podremos aproximar: RE Esta aproximación es deseable desde el punto de vista práctico y muy útil, ya que no interviene ni el β ni el ICO del TBJ. Esto significa que no habrá prácticamente modificaciones en el punto de trabajo debido a variaciones de temperatura, incluso en el caso límite de tener que reemplazar al transistor por otro (y que no sean, como es de esperar idénticos), no será notoria la eventual modificación del punto Q. 3.9 - Embalamiento ó Escape Térmico : La potencia disipada máxima ( PDmáx ) es una de las especificaciones más importantes y depende de la temperatura a desarrollarse en la juntura ( Tj ) . Si : Tj ↑ ⇒ Ic ↑ ⇒ Pd ( = VCB . Ic ) ↑ ⇒ Tj ↑↑ ; con éste mecanismo se produce un círculo vicioso pudiendo culminar con la destrucción del TBJ. El fenómeno es conocido como : Embalamiento , Escape ó Fuga Térmica . 16 Introducción a la Electrónica - Apuntes Teóricos Dr. Ing. David M. Petruzzi 3.9.1 - Estabilidad Térmica : Para evitar el embalaje térmico se debe cumplir que : ∂Pc < ∂Tj ∂Pd ∂Pc 1 < ⇒ ∂Tj ∂Tj (3.15) θja Esto es : la velocidad con la que se genera calor debe ser menor Pdmax a la que éste puede ser evacuado. PTOT(25) Pd = VCB . Ic ≅ VCE . Ic = Vcc . Ic − Ic (Rc + RE) 2 ∂Pc ∂Pc = ∂Tj ∂Ic = [ Vcc − 2Ic (Rc + RE) ] . . ∂Ic ∂Tj ∂Ic 1 < ∂Tj PX (3.16) θja 0 un TBJ de silicio y autopolarizado se verifica que : ∂Ic ≅ ( 1 + RB / RE ). (0,07). Ico ∂Tj Nota : Siempre que sea posible se ajusta: Ic (Rc + RE) = Vcc / 2 De éste modo : VcEQ = Vcc / 2 ; con lo cual la expresión (3.16) queda anulada y con ello : ∂Pc / ∂Tj . Por último, con el uso de disipadores se mejora la salida del calor que se genera en la juntura , con lo que mejoran el margen de estabilidad térmica. + θd θJC TJ + - θCA Pd TA 17 25 ºC TX Tjmax Tj