TUTORIAL TRANSISTOR BJT

TUTORIAL TRANSISTOR BJT
El transistor bipolar es el más común de los transistores, y como los diodos, puede ser de
germanio o silicio.
Existen dos tipos transistores: el NPN y el PNP, y la dirección del flujo de la corriente en cada
caso, lo indica la flecha que se ve en el gráfico de cada tipo de transistor.
En TINA se encuentra en la pestaña “Semiconductors” y se representa de la siguiente manera:
El transistor es un dispositivo de 3 patillas con los siguientes nombres: base (B), colector(C)
y emisor (E), coincidiendo siempre, el emisor, con la patilla que tiene la flecha en el gráfico de
transistor.
El transistor bipolar es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si le introducimos
una cantidad de corriente por una de sus patillas (base), el entregará por otra (emisor) , una
cantidad mayor a ésta, en un factor que se llama amplificación.
Este factor se llama ß (beta) y es un dato propio de cada transistor.
Entonces:
- Ic (corriente que pasa por la patilla colector) es igual a ß (factor de amplificación) por Ib
(corriente que pasa por la patilla base).
- Ic = ß * Ib
- Ie (corriente que pasa por la patilla emisor) es del mismo valor que Ic, sólo que, la corriente
en un caso entra al transistor y en el otro caso sale de él, o viceversa.
Según la fórmula anterior las corrientes no dependen del voltaje que alimenta el circuito(Vcc),
pero en la realidad si lo hace y la corriente Ib cambia ligeramente cuando se cambia Vcc. Ver
figura.
En el segundo gráfico las corrientes de base (Ib) son ejemplos para poder entender que a más
corriente la curva es más alta.
Transistor bipolar: Regiones Operativas y
Configuraciones
Regiones operativas del transistor
- Región de corte: Un transistor esta en corte cuando la corriente de colector = la corriente
de emisor = 0, (Ic = Ie = 0)
En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de alimentación
del circuito.
Como no hay corriente circulando, no hay caída de voltaje, ver Ley de Ohm. Este caso
normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0 (Ib = 0)
- Región de saturación: Un transistor está saturado cuando la corriente de colector = la
corriente de emisor = la corriente máxima, (Ic = Ie = I máxima)
En este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentación del circuito y de los
resistores conectados en el colector o el emisor o en ambos, ver L a ley de Ohm.
Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base es lo suficientemente grande
como para inducir una corriente de colector ß veces más grande. (recordar que Ic = ß * Ib)
- Región activa: Cuando un transistor no está ni en su región de saturación ni en la región de
corte entonces está en una región intermedia, la región activa.
En esta región la corriente de colector (Ic) depende principalmente de la corriente de base (Ib),
de ß (ganancia de corriente de un amplificador, es un dato del fabricante) y de las resistencias
que hayan conectadas en el colector y emisor).
Esta región es la más importante si lo que se desea es utilizar el transistor como
un amplificador.
Configuraciones del transistor bipolar
Hay tres tipos de configuraciones típicas en los amplificadores con transistores, cada una de
ellas con características especiales que las hacen mejor para cierto tipo de aplicación. y se dice
que el transistor no está conduciendo. Normalmente este caso se presenta cuando no hay
corriente de base (Ib = 0)
- Amplificador emisor común
- Amplificador colector común
- Amplificador base común
Nota: Corriente de colector y corriente de emisor no son exactamente iguales, pero se toman
como tal, debido a la pequeña diferencia que existe entre ellas, y que no afectan en casi nada a
los circuitos hechos con transistores.
Disipadores de calor (Heatsinks)
Los disipadores de calor son componentes metálicos que utilizan para evitar que algunos
elementos electrónicos como los transistores bipolares , algunos diodos, SCR, TRIACs, MOSFETS,
etc., se calienten demasiado y se dañen.
El calor que produce un transistor no se transfiere con facilidad hacia el aire que lo rodea.
Algunos transistores son de plástico y otros metálicos. Los que son metálicos transfieren con
más facilidad el calor que generan hacia el aireque lo rodea y, si su tamaño es mayor, mejor.
Es importante aclarar que el elemento transistor que uno ve, es en realidad la envoltura de un
pequeño "chip" que es el que hace el trabajo, al cual se le llama "juntura" o "unión".
La habilidad de transmitir el calor se llama conductancia térmica y a su recíproco se le
llama resistencia térmica (Rth)que tiene unidad de °C/W (grado Centígrado/Watt).
Ejemplo: Si la resistencia térmica RTH de un transistor es 5°C/W, esto significa, que
la temperatura sube 5°C por cada Watt que se disipa.
Poniéndolo en forma de fórmula se obtiene: R = T/P, Donde:
- R = resistencia
- T = temperatura
- P = potencia
La fórmula anterior se parece mucho a una fórmula por todos conocida: La Ley de Ohm. R = V/I.
Donde se reemplaza V por T a I por P y R queda igual. Analizando el siguiente diagrama a la
derecha:
Donde:
- TJ = Temperatura máxima en la "Juntura" (dato que suministra el fabricante)
- TC = Temperatura en la carcasa. depende de la potencia que vaya a disipar el elemento y del
tamaño del disipador de calor y la temperatura ambiente.
- TD = Temperatura del disipador de calor y depende de la temperatura ambiente y el valor de
RDA (RD)
- TA = Temperatura ambiente
- RJC = Resistencia térmica entre la Juntura y la carcasa
- RCD = Resistencia térmica entre la carcasa y el disipador (incluye el efecto de la mica, si se
pone, y de la pasta de silicón).
Mejor poner pasta de silicón y evitar poner la mica.
- RDA = Resistencia térmica entre el disipador de calor y el Aire (Resistencia térmica del
disipador) (RD)
Importante:
Cuando se ponga un disipador de calor a un transistor, hay que evitar que haya contacto entre
ellos. Se podría evitar ésto con plástico o el aire, pero son malos conductores de calor.
Para resolver este problema se utiliza una pasta especial que evita el contacto. La virtud de esta
pasta es que es buena conductora de calor. De todas maneras hay que tomar en cuenta que
esta pasta aislante también tiene una resistencia térmica.
Es mejor evitar si es posible la utilización de la mica pues esta aumenta el RCD.
El contacto directo entre el elemento y el disipador de calor, contrario a lo que se pueda
pensar, aumenta el valor de RCD, así que es mejor utilizar la pasta.
Encapsulados de transistores y otros semiconductores
Los transistores bipolares, triacs, SCR y otros tipos de dispositivos semiconductores vienen en
muchas presentaciones o encapsulados.
Estas presentaciones dependen del tipo de aplicación en que se les van a utilizar.
Cada transistor (dispositivo semiconductor) tiene impreso en el cuerpo del mismo, el tipo de
transistor que es, siendo así muy fácil poder encontrar sus características técnicas en un manual
como el ECG, NTE u otro.
En estos manuales también se pueden encontrar transistores de características similares o
muy parecidas a los que se les llama "equivalentes"
Entre los encapsulados más comunes están: (hay más)
- El TO-92: Este transistor pequeño es muy utilizado para la amplificación de
pequeñas señales.
La asignación de patitas (emisor - base - colector) no está estandarizado, por
lo que es necesario a veces recurrir a los manuales de equivalencias para
obtener estos datos.
- El TO-18: Es un poco más grande que el encapsulado TO-92, pero es
metálico. En la carcasa hay un pequeño saliente que indica que la patita más
cercana es el emisor.
Para saber la configuración de patitas es necesario a veces recurrir a los
manuales de equivalencias.
- El TO-39: Tiene le mismo aspecto que es TO-18, pero es más grande.
Al igual que el anterior tiene una saliente que indica la cercanía del emisor,
pero también tiene la patita del colector pegado a la carcasa, para efectos de
disipación de calor.
- El TO-126: Se utiliza mucho en aplicaciones de pequeña a mediana potencia.
Puede o no utilizar disipador dependiendo de la aplicación en se este utilizando.
Se fija al disipador por medio de un tornillo aislado en el centro del transistor. Se
debe utilizar una mica aislante
- El TO-220: Este encapsulado se utiliza en aplicaciones en que se deba de
disipar potencia algo menor que con el encapsulado TO-3, y al igual que
el TO-126 debe utilizar una mica aislante si va a utilizar disipador, fijado por
untornillo debidamente aislado.
- El TO-3: Este encapsulado se utiliza en transistores de gran potencia.
Como se puede ver en el gráfico es de gran tamaño debido a que tiene que
disipar bastante calor. Está fabricado de metal y es muy normal ponerle un "disipador" para
liberar la energía que este genera en calor.
Este disipador no tiene un contacto directo con el cuerpo del transistor, pues este estaría
conectado directamente con el colector del transistor (ver siguiente párrafo). Para evitar
el contacto se pone una mica para que sirva de aislante y a la vez de buen conductor térmico.
El disipador de fija al transistor con ayuda de tornillos adecuadamente aislados que se
introducen el los orificios que estos tienen. (ver figura arriba)
En el transistor con encapsulado TO-3 el colector esta directamente conectado al cuerpo del
mismo (carcasa), pudiendo verse que sólo tiene dos pines o patitas.
Estas patitas no están en el centro del transistor sino que ligeramente a un lado y si se pone el
transistor como se muestra en la figura, al lado izquierdo estará el emisor y la derecha la base.
Aplicaciones del Transistor 1
Transistor Bipolar (BJT) como interruptor
Cuando un transistor se utiliza en un circuito, el comportamiento que éste tenga dependerá de
sus curvas características.
En el diagrama que se muestra hay varias curvas que representan la función de transferencia de
Ic (corriente de colector) contra VCE (voltaje colector – emisor) para varios valores de Ib
(corriente de base).
Cuando el transistor se utiliza como amplificador, el punto de operación de éste se ubica sobre
una de las líneas de las funciones de transferencia que están en la zona activa. (las líneas están
casi horizontales).
Transistor en corte y saturación
Cuando un transistor se utiliza como interruptor o switch, la corriente de base debe tener un
valor para lograr que el transistor entre en corte y otro para que entre en saturación
- Un transistor en corte tiene una corriente de colector (Ic) mínima (prácticamente igual a
cero) y un voltaje colector emisor VCE) máximo (casi igual al voltaje de alimentación). Ver la
zona amarilla en el gráfico
- Un transistor en saturación tiene una corriente de colector (Ic) máxima y
un voltajecolector emisor (VCE) casi nulo (cero voltios). Ver
zona en verde en el gráfico
Para lograr que el transistor entre en corte, el valor de la
corriente de base debe ser bajo o mejor aún, cero.
Para lograr que el transistor entre en saturación, el valor de
la corriente de base debe calcularse dependiendo de
la carga que se esté operando entre encendido y apagado
(funcionamiento de interruptor)
Si se conoce cuál es la corriente que necesita la carga para activarse (se supone unbombillo o
foco), se tiene el valor de corriente que habrá de conducir el transistor cuando este en
saturación y con el valor de la fuente de alimentación del circuito, se puede obtener la recta
de carga. Ver gráfico anterior.
Esta recta de carga confirma que para que el transistor funcione en saturación, Ic debe ser
máximo y VCE mínimo y para que esté en corte, Ic debe ser el mínimo y VCE el máximo.*
Diseño de un switch con Transistor Bipolar (BJT)
Para calcular el valor de Rb (resistencia de base) que se utilizará para que el circuitofuncione
como un interruptor(conectar y esconectar un voltajede 12 voltios en A). Ver el diagrama.
Los datos que tenemos son:
- Voltaje de alimentación = 12 V
- Bombillo (foco) 12V, 1.2W
- B (beta) mínimo del transistor es: 200
Transistor en saturación
Para obtener Ic se sigue el siguiente procedimiento:
De la fórmula de Potencia: Potencia del bombillo = P = VxI.
Despejando I se obtiene: I = Ic = P/V = 1.2 watts / 12 voltios = 100 mA
Se escoge el B (beta) menor (200) para asegurar de que el transistor se sature.
La corriente de base es: Ib = Ic/B = 100 mA/200 = 0.5 mA.
Esta es la corriente de base necesaria para que el transistor se sature
y encienda el bombillo.
Para calcular Rb se hace una malla en el circuito de la base: 12 V = Rb x
Ib – Vbe
Rb = (12–0.7)/Ib = 11.3 V/0.5 mA = 2260 ohmios. Para efectos
prácticos Rb = 2.2 Kohms
Nota: Vbe = 0.7 Voltios aproximadamente en un transistor de silicio.
Transistor en corte
Para que el bombillo se apague, basta que la corriente (Ic) que pase a través de él sea cero.
Para lograrlo se hace que la corriente de base Ib sea cero (Ic = BxIb), poniendo elvoltaje que
alimenta el circuito de la base en cero (0 Voltios)*
Aplicaciones del Transistor 2
Amplificador emisor común
Circuito y recta de carga
Para que una señal esa amplificada tiene que ser una señal de corriente alterna.
No tiene sentido amplificar una señal de corriente continua, porque ésta no lleva ninguna
información.
En un amplificador de transistores están involucradas los dos tipos de corrientes (alterna y
continua).
La señal alterna es la señal a amplificar y la continua sirve para establecer el punto de operación
del amplificador.
Este punto de operación permitirá que la señal amplificada no sea
distorsionada.
En el diagrama se ve que la base del transistor está conectada a
dos resistores (R1 y R2).
Estos dos resistores forman un divisor de voltaje que permite tener
en la base del transistor un voltaje necesario para establecer
la corriente de polarización de la base.
El punto de operación en corriente continua está sobre una línea de
carga dibujada en la familia de curvas del transistor.
Esta línea está determinada por fórmulas que se muestran.
Hay dos casos extremos:
- Cuando el transistor está en saturación (Ic max.), que significa que Vce es prácticamente 0
voltios y....
- Cuando el transistor está en corte (Ic = 0), que significa que Vce es prácticamente igual a
Vcc. Ver la figura.
Si se modifica R1 y/o R2 el punto de operación se modificará para arriba o para abajo en la
curva pudiendo haber distorsión
Si la señal de entrada (Vin) es muy grande, se recortarán los picos positivos y negativos de la
señal en la salida (Vout)
Capacitor de bloqueo (C1)
Este capacitor (condensador) se utiliza para bloquear la corriente continua que pudiera venir de
Vin. Este capacitor actúa como un circuito abierto para la corriente continua y un
corto circuito para la corriente alterna (la que se desea amplificar).
Estos capacitores no se comportan tan perfectamente en la realidad, pero se acercan bastante,
pudiendo suponerse como ideales.
Capacitor de derivación (Ce)
El resistor Re aumenta la estabilidad del amplificador, pero que tiene el gran inconveniente que
es muy sensible a las variaciones de temperatura (causará cambios en la corriente de base, lo
que causará variaciones en la corriente de emisor (recordar Ic = β Ib)).
Esto causará una disminución en la ganancia de corriente alterna, lo que no es deseable.
Para resolver el problema se pone en paralelo con Re un capacitor que funcionará como un
corto circuito para la corriente alterna y un circuito abierto para corriente continua.
- El voltaje de salida estará dada por la siguiente fórmula:
Vout = Ic x Rc = β x Ib x Rc = hfe x Ib x Rc
- Ganancia de voltaje: ΔV - Vout / Vin = - Rc / Zin.
(el signo menos indica que Vout esta 180° fuera de fase con al entrada Vin)
- Ganancia de corriente: ΔI = (Vout x Zin) / (Vin x Rc) = ganancia de voltaje x Zin / Rc
- Ganancia de potencia = ganancia de voltaje x ganancia de corriente = ΔP = ΔV x ΔI
- Zin (impedancia de entrada) = R1 // R2 // hie, que normalmente no es un valor alto (contrario
a lo deseado)
- Zo (impedancia de salida) = Rc
- La salida está 180° desfasada con respecto a la entrada (es invertida)
Notas:
- β = hfe son parámetros propios de cada transistor
- hie = impedancia de entrada del transistor dada por el fabricante.
- // significa "en paralelo"
Aplicaciones del Transistor 3
Amplificador emisor seguidor o colector común
Este amplificador también llamado colector común, es muy útil pues tiene una impedancia
de entrada muy alta y una impedancia de salida baja.
Nota: La impedancia de entrada alta es una característica deseable en un amplificador pues, el
dispositivo o circuito que lo alimenta no tiene que entregarle mucha corriente (y así cargarlo)
cuando le pasa la señal que se desea amplificar.
Este circuito no tiene resistencia en el colector y la salida está conectada a la resistencia del
emisor (ver la figura).
El voltaje se salida "sigue" al voltaje en el emisor, sólo que es de un valor ligeramente menor
(0.6 voltios aproximadamente). Ve = Vb - 0.6 Voltios
La ganancia de tensión es: Av = Vout / Vin = Ve / Vb.
Como Ve es siempre menor que Vb, entonces la ganancia siempre
será menor a 1.
La impedancia de entrada se obtiene con la siguiente fórmula: Zin =
(β + 1) x Re. Donde: β es la ganancia de
corriente del transistor (dato del fabricante)
Del gráfico anterior. Si Re = 2.2 K y β = 150
Zin = (β + 1) x Re = (150 + 1) x 2200 Ohmios = 332,000 Ohmios (332 K)
Este amplificador aparenta una impedancia de entrada de 332,000 Ohmios a la fuente de la
señal que se desea amplificar.
Este tipo de circuito es muy utilizado como circuitos separadores y como adaptadores de
impedancia entre las fuentes de señal y las etapas amplificadoras