Unidad Orientativa “Transistores”

Unidad Orientativa
(Electrónica)
“Transistores”
Curso introducción a los Transistores – Modulo Electrónica
Autor: Ing. Martin A. Torres
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Índice Temático
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1. Que es un TRANSISTOR
2. Transistores – Principios de funcionamiento
3. Polarización del transistor
4. Parámetros “β”
5. Cálculos para métodos de polarización
6. Practico Nº1 (Corte-Saturación)
7. Practico Nº2 (MAD – Modo Activo Directo)
8. Practico Nº3 (Calculo y diseño de circuito para polarizar un Transistor)
Curso introducción a los Transistores – Modulo Electrónica
Autor: Ing. Martin A. Torres
1- Que es un Transistor Los transistores han facilitado en gran medida el diseño de circuitos electrónicos de
reducido tamaño, gran versatibilidad y facilidad de control.
Estos vienen a sustituir a las antiguas “válvulas termoiónicas”.
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Gracias a los transistores se pudieron hacer equipos portátiles a pilas u baterías, ya que los
aparatos valvulares, trabajan a tensiones muy altas, y tardaban en su momento hasta 30
segundos en empezar a funcionar.
El transistor es un elemento electrónico con tres terminales, formado por tres capas de
material semiconductor que alternan el dopado tipo “N” y tipo “P”. Según la conformación
de estas tres capas de semiconductores (que son cristal), nos podemos encontrar con dos
tipos de configuraciones, o mejor dicho, nos podemos encontrar con dos tipos de
transistores... Los transistores NPN, y los transistores PNP.
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Autor: Ing. Martin A. Torres
2- Transistores – Principios de funcionamiento Para que un transistor funcione correctamente, deben aplicarse unas tensiones continuas a
sus terminales. Si mediante una fuente conformada por dos baterías aplicáramos unas
tensiones positivas a la base y al colector de un transistor NPN, respecto del emisor y la
base respectivamente, el diodo PN formado por la base y el emisor, estará polarizada
directamente produciendo una corriente "Base-Emisor"; En el caso de los transistores
PNP, seria la inversa.
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Seria de esperar que esta corriente de electrones que salen del emisor lleguen íntegramente
a la base y drenen por ahí, pero esto no ocurre así, dado que en este caso son atraídos por
la tensión positiva del colector, así que podemos decir que la mayoría se dirige al mismo.
Para acentuar este efecto producido, la base se construye poco dopada y muy estrecha,
osea, se aplica una pequeña corriente, para poder mover una mayor.
Veamos una comparación de un caso de la vida real para acentuar mas la idea del principio
de funcionamiento de los transistores...
Tratemos de Imaginar un tanque de agua con tres compartimentos internos separados entre
si por dos compuertas mecánicas que tienen el siguiente orden E- C1 - B - C2 - C (similar
al de estas figuras)
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Como podemos observar en las imágenes, estos compartimentos (E / B / C – Emisor /
Base / Colector), debajo de ellos, tenemos un sistema de ductos (cañerías), que poseen dos
bombas hidráulicas.(P1 y P2).
La bomba “P1”, es la encargada de aspirar agua del compartimiento “E” y la introduce en
“B”.
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La bomba “P2”, comunica E con “C”, osea, aspira agua del compartimiento “E” y la
introduce en “C”.
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Bien, hasta acá, ya tenemos en claro que función cumple cada componente en este sistema
de tanques, pero que tiene de similar el funcionamiento de este complejo sistema de agua,
con un transistor?
Bien, comencemos a describir por pasos y notaran cuales son las similitudes.
La bomba P1 absorbe agua de “E” y la introduce en “B”. Al llegar este compartimiento a
un cierto nivel de agua en su interior, la misma presión ejercida por el peso del agua abre
la compuerta C1 y deja ceder el agua hacia “E”.
Al mismo tiempo que deja ceder el agua hacia el compartimiento “E”, un sistema
mecánico, trabaja sobre la compuerta C2 que comunica los compartimentos “C y E”,
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logrando así que el agua que circulaba entre “E y C” por la acción de la bomba “P2”, salga
con mucha presión desde el compartimiento “C” hasta el “E”.
La corriente de agua que circula entre B y E bajo la acción de la bomba P1, es siempre una
corriente débil porque no hay gran esfuerzo que desarrollar para poder levantar la
compuerta C2. Además, si esta corriente fuera excesiva, lograríamos llenar el
compartimiento B rápidamente y el mismo agua no solo se desbordaría del tanque, si no
que también la gran cantidad de liquido no nos dejaría abrir la compuerta C2.
La corriente de agua que circula entre C y E bajo la acción de la bomba P2, es siempre una
corriente intensa por que la compuerta abre la entrada a una gran circulación de agua.
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Ahora bien, comparemos lo que dijimos en el principio y comparémoslo con el ejemplo
citado.
1- Dijimos que para que un transistor funcione correctamente, deben aplicarse unas
tensiones positivas a los terminales de la base y al colector de un transistor NPN.
En el caso de los tanques, podemos notar que estas tensiones positivas es el volumen del
agua que sumado a la presión ejercida por las dos bombas hidráulicas tenemos el mismo
efecto.
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2- Si mediante una fuente conformada por dos baterías aplicáramos unas tensiones
positivas a la base y al colector de un transistor NPN, respecto del emisor y la base
respectivamente, el diodo PN formado por la base y el emisor, estará polarizada
directamente produciendo una corriente "Base-Emisor".
En el caso de los tanques, si nosotros no tuviéramos la bomba hidráulica P1, no podríamos
establecer un llenado en el compartimiento B y generar así una fuerza de desequilibrio
entre los compartimientos para generar las aperturas delas puertas y así tengamos un flujo
de agua entre los compartimientos.
3- En el caso del transistor, seria de esperar que esta corriente de electrones que salen del
emisor lleguen íntegramente a la base y drenen por ahí, pero esto no ocurre así, dado que
en este caso son atraídos por la tensión positiva del colector, así que podemos decir que la
mayoría se dirige al mismo.
Para acentuar este efecto producido, la base se construye poco dopada y muy estrecha.
En el caso del tanque, el flujo de agua también se esperaría que el agua proveniente del
compartimiento E, drene íntegramente en el compartimiento B, pero la misma resistencia
ejercida por la bomba P1, deja que la mayoría del flujo sea absorbida por la bomba P2 e
introducida en el compartimiento C.
4- Entonces concluimos que en ambos casos, se aplica e implementa una pequeña
corriente, para poder mover una mayor.
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3- Polarización del Transistor Internamente, podemos observar que el transistor esta compuesto por dos diodos, según su
juntura, podremos decir si es un transistor NPN, o un transistor PNP.
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Para comprender el funcionamiento de estos semiconductores en modo de corte y
saturación, recordemos que al principio de este capitulo, les mencione que transistor debe
polarizarse para su funcionamiento; osea, la base se construye poco dopada y muy
estrecha.
La imagen 1, muestra una típica polarización utilizando sólo una fuente de tensión Vcc.,
RB1 y RB2 son las llamadas resistencias divisoras de base, y Rc la de colector.
En este caso no se colocó ninguna resistencia en el emisor.
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La salida se toma, en este caso, del colector (cuando lleguemos al modo de
funcionamiento MAD, veremos que la salida puede ser tomada de cualquiera de los
terminales, y de esto depende el nombre de la configuración: colector común, emisor
común o base común).
Para saber en qué punto esta funcionando el transistor, es decir qué valor tiene IC y qué
valor tiene VCE, se realiza un análisis llamado estático o análisis de continua, haciendo
referencia a que sólo se tiene en cuenta las fuentes de alimentación de continua.; Para ello
se recorre la malla de salida:
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VCC= Ic.Rc+Vce
Ésta fórmula representa una recta, y es llamada Recta de carga estática.
Dibujamos ésta recta, en el gráfico ya visto de IC (corriente de colector) en función de
VCE (tensión colector emisor). De la intersección de dicha recta y las curvas, obtenemos
el punto de funcionamiento del transistor.
Los puntos de la recta que cortan los ejes son:
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Entonces, como dijimos, de la intersección de la curva y la recta, se halla el punto de
funcionamiento del transistor. Este punto es llamado punto Q o punto de trabajo del
transistor, y para dicho punto obtendremos un ICQ y un VCEQ, correspondiente a la
corriente de colector y la tensión entre colector emisor a la cual se esta trabajando.
En el gráfico anterior se muestran diferentes puntos posibles de trabajo (Q1, Q2, etc.)
Recordando lo expuesto en la entrega anterior, vemos que, si el transistor se encuentra
trabajando en el punto Q1, su funcionamiento es en modo saturación, de Q2 a Q4 en MAD
y Q5 en corte.
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4- Parámetros “β”Se define el parámetro “β” a una constante proporcional y como a la relación β= Ic/Ib es
decir IC=β.Ib
En la practica, “β” puede valer entre 50 y 300 y llegar a 1000 en algunos transistores, es
decir, la intensidad del Colector (Ic), es unas veces mayor que la intensidad de Base (Ib) y
proporcionalmente a la misma.
Las curvas mas interesantes del transistor, son las de salida. En el siguiente grafico, esta la
representación de la intensidad de colector en función de la tensión Colector-Emisor
(VCE) para diferentes valores de intensidad de base (Ib).
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Ahora se preguntaran, que significa y que son la “saturación”, “corte”, etc?
*Zona Activa: En ella para cada intensidad de BASE, resulta una intensidad de colector
(Ic) “β” veces mayor, manteniéndose sensiblemente constante la tensión Colector-Emisor.
La zona activa funciona como amplificador. Para que el transistor funcione correctamente,
debe mantenerse su funcionamiento dentro de esta zona.
*Zona Saturación: Al entrar en esta zona, la intensidad de colector se dispara
convirtiéndose el transistor en un circuito cerrado, osea que cuando por la base circula una 11
intensidad, se aprecia un incremento de la corriente de colector considerable. En este caso
el transistor entre colector y emisor, se comporta como un interruptor cerrado; De esta
forma se puede decir que la tensión de la batería se encuentra en la carga conectada en el
colector.
*Zona de Corte: En esta zona la intensidad de colector se anula y el transistor se comporta
como un interruptor abierto. Viéndolo de esta manera, el diodo formado por la corriente
Base-Colector tiene una intensidad menor a la del Emisor; No circula intensidad por la
base, por lo que la intensidad de Colector y Emisor también es nula. La tensión entre
Colector y Emisor es la de la batería o fuente.
*Zona Prohibida: En ella, el producto de tensión por intensidad supera la potencia
máxima tolerable por el transistor, osea que cuando se llega a esta zona, se puede llegar a
destruir el transistor.
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5- Calculo para métodos de polarización Hay diversas maneras de polarizar a un transistor, en este curso, veremos solo alguna de
ellas y aprenderemos como realizar el calculo de polarización para un correcto
funcionamiento.
Recordando que para que un transistor opere normalmente la unión base-emisor, debe
tener polarización directa, en cambio, la unión base-colector debe de tener polarización
inversa.
Nuevamente, recordemos la recta de carga citada anteriormente...
Como ya sabemos, la recta de carga es una línea diagonal, que se dibuja sobre la curva de
salida del transistor, y que indica los extremos de operación del mismo.
Cada uno de los puntos de esta recta, posee como coordenadas un valor de corriente de
colector y un voltaje colector-emisor, los cuales a su ves definen el valor de los
componentes a ser utilizados en el circuito de polarización.
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Las principales formulas a memorizar son:
Vbe= 0,6v a 0,7v (dependiendo el transistor. Esto se puede saber en la misma hoja de datos del
semiconductor)
Ic= Ib . Hfe
Ie= Ib + Ic
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SABIENDO QUE...
RC = Resistencia de Colector
Vcc= Fuente o Voltaje principal
Rb = Resistencia de Base
Vbb= Fuente o Voltaje secundario
Re = Resistencia de Emisor
Vbe= Voltaje Base-Emisor
RTH= Resistencia equivalente
Vbc= Voltaje Base-Colector
Ic= Intensidad de Colector
Vce= Voltaje Colector-Emisor
Ib= Intensidad de Base
Vc= Voltaje Colector
Ie= Intensidad de Emisor
Ve= Voltaje Emisor
HFE= Ganancia del transistor
Vb= Voltaje Base
PD= Potencia del Transistor
VTH= Voltaje Equivalente
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Tenemos...
A_
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Calculo de circuito
Ib=(Vbb - Vbe) / Rb
Calculo de recta de carga
Vce Max = Vcc
Ic Max = Vcc / Rc
Ic=Ib . Hfe
Vce=Vcc - (Ic . Rc)
PT=Vce . Ic
B_
Calculo de circuito
Ib=(Vbb - Vbe) / Rb
Calculo de recta de carga
Vce Max = Vcc
Ic Max = Vcc / Rc
Ic=Ib . Hfe
Vce=Vcc - (Ic . Rc)
PT=Vce . Ic
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C_
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Calculo de circuito
Calculo de recta de carga
RTH= Rb1 . Rb2 / (Rb1 + Rb2)
Vce Max = Vcc
Ic Max = Vcc / Rc
VTH= Vcc . Rb2 / (Rb1 + Rb2)
Ib= (VTH - Vbe) / RTH
Ic= Ib . Hfe
Vce= Vcc - (Ic . Rc)
PT= Vce . Ic
D_
Calculo de circuito
Calculo de recta de carga
RTH= Rb1 . Rb2 / (Rb1 + Rb2)
Vce Max = Vcc
Ic Max = Vcc / (Rc + Re)
VTH= Vcc . Rb2 / (Rb1 + Rb2)
Ib= (VTH - Vbe) / (RTH + Re . (Hfe + 1))
Ic= Ib . Hfe
PT= Vce . Ic
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E_
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Calculo de circuito
Ib= (Vcc - Vbe) / Rb + Rc . (Hfe + 1))
Ic= Ib . Hfe
Calculo de recta de carga
Vce Max = Vcc
Ic Max = Vcc / Rc
Vce= Vcc - (Rc . Ic (1 + 1 / Hfe))
PT= Vce . Ic
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6- PrácticosBien, para poder comprender mejor las secciones anteriores, necesitaremos mínimo
implementar algún laboratorio virtual, así hacemos de este tema, una sección
practica y fácil de comprender.
En nuestro caso, implementaremos el laboratorio virtual Live Wire, que pueden
descargar la versión DEMO desde la pagina oficial del software.
La siguientes lecciones, nos introducirá dentro del funcionamiento del transistor, ya
calcular nosotros mismo, nuestros propios circuitos de polarización de transistores.
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PRACTICO Nº1 (CORTE-SATURACION)
En este practico, trataremos de hacer un ejercicio con el laboratorio virtual, para ver por
nuestra cuenta, como se comporta y funciona un transistor en “Corte – Saturación”.
Observemos primero este ejemplo:
(Iniciamos nuestro laboratorio virtual, y para la gente que tiene LiveWire, abrir el
ejercicio1a de la carpeta del curso nuestro.)
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Girando el potenciómetro observamos que el diodo varía su luminosidad, pasando de
totalmente encendido a apagado. Es decir que vamos recorriendo la recta de carga estática,
con diferentes valores de Q, pasando desde la saturación hasta el corte respectivamente.
Es decir, cuando la resistencia del potenciómetro sube la corriente de base baja y por ende
la del colector también hasta que no circula más corriente, que es cuando el led se apaga.
Análogamente cuando la resistencia baja, la corriente de la base sube, la del colector
también y el led se enciende al máximo.
Si trabajamos sólo con los valores extremos, es decir, cuando el led esta apagado y cuando
el led esta al máximo de luminosidad, podemos decir que el transistor es usado en modo
conmutador y es equivalente a una llave.
Estos dos extremos son el corte (led apagado) y la saturación (led encendido al máximo)
del transistor.
Es muy común utilizar esta forma de trabajo del transistor para el prendido y apagado de
elementos (leds, relay, etc.)
Entonces, un transistor saturado equivale a una llave cerrada. Circula corriente y si
medimos con un multímetro la tensión entre colector y el emisor, vemos que es muy
pequeña y positiva (aproximadamente cero).
Un transistor en corte, equivale a una llave abierta. No circula corriente y si medimos la
tensión entre el colector y el emisor, vemos que es Vcc (no hay caída de tensión sobre la
resistencia RC y por ende toda la tensión de la fuente cae sobre el transistor).
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Veamos la comprobación de lo dicho anteriormente en este ejercicio:
(Iniciamos nuestro laboratorio virtual, y para la gente que tiene LiveWire, abrir el
ejercicio1b de la carpeta del curso nuestro.)
Habíamos dicho que puede existir una resistencia en el emisor, en realidad para el caso de
ser el transistor utilizado como llave, osea, en los casos en que quiere aprovecharse las
propiedades del transistor en funcionamiento de corte-saturación, es más normal no
encontrarla en los diseños de los circuitos; Debido a que se desea obtener en el colector los
dos extremos de tensión, es decir que pase de cero a Vcc, y colocar una resistencia en el
emisor implica tener una tensión extra.
Si el objetivo de utilizar una llave en el encendido / apagado de cargas, veamos ahora
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cómo hacer para controlar ésta llave.
Supongamos una onda cuadrara en la base del transistor...
Aquí se observan ambos extremos de funcionamiento:
Cerrado – Hay flujo de corriente
Abierto – No hay flujo de corriente
1) Cuando la onda cuadrada se encuentra en su nivel alto (punto1), la tensión en la base es
mayor a la del emisor, y por ende el diodo correspondiente se encuentra en directa. El
transistor esta saturado, circula corriente por el colector y la tensión en el colector es
directamente la caída de tensión VCE, que para éste caso se aproxima a cero.
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2) Cuando la onda cuadrada se encuentra en su nivel bajo (punto2), la tensión en la base es
cero, y por ende el diodo correspondiente esta en inversa. El transistor se encuentra en
corte, no circula corriente por el colector y entonces la tensión en el colector (al no circular
corriente) es Vcc (no hay caída de tensión sobre Rc).
De acá en adelante se tratará al valor alto de tensión de la onda cuadrada como ‘1’ y al
bajo como ‘0’ (sus correspondientes valores lógicos).
Más allá de los desarrollos matemáticos y definiciones que hemos visto hasta aquí, lo que
les debe quedar en claro, es que el transistor se puede utilizar cómo una llave, logrando el
efecto de permitir o no el paso de corriente por su colector.
Bien, hasta acá todo bien, yo les realice el circuito para que experimenten con su
laboratorio virtual, pero noten que En el ejemplo anteriormente citado, noten que no tienen 20
valores los componentes. Seleccioné el modo “componente Ideal” para dejarles el ejemplo
visual y funcione el circuito si o si, osea que podría colgarle un ladrillo que el circuito
funcionaria igual .... Para hacerlo mas interesante y de paso que no se aburran, ustedes
ahora tendrán que realizar los cálculos necesarios para la polarización del transistor de este
circuito.....
PRACTICO Nº2 (MODO ACTIVO DIRECTO)
En este caso, implementaremos otra característica del transistor..."La Amplificación".
Si bien no aplicaremos cálculos en el siguiente practico, trataremos de ver y comprender
como funciona el transistor en este modo de funcionamiento.
Si introducimos una señal del tipo senoidal a la entrada, lo que obtendremos a la salida es
una réplica de la misma, pero amplificada una cierta cantidad
Un circuito común para este tipo de funcionamiento, es el siguiente:
Tanto Rb1, Rb2 como Rc se utilizan para polarizar correctamente al transistor. Rs es la
resistencia interna del generador.
En el siguiente ejemplo practico, implementamos un generador de señal senoidal, es decir
una onda con la siguiente forma, y con las siguientes características:
(Iniciamos nuestro laboratorio virtual, y para la gente que tiene LiveWire, abrir el
ejercicio1ab de la carpeta del curso nuestro.)
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Los capacitores son colocados en serie a la señal para filtrar la tensión de continua y son
normalmente llamados de desacople. En el caso de la salida de un amplificador de audio es
muy necesario ya que ahí se colocará un parlante (no puede existir una tensión continua ya
que los dañaría).
Para el análisis del transistor en su modo de funcionamiento MAD, se estudia por un lado
la parte de polarización, es decir sólo la alimentación de continua, se arma la recta de
carga estática y se calcula el punto de trabajo Q. Una vez hecho esto se analiza cómo se
comporta el circuito con solamente la señal de entrada, y nada de tensión continua.
Obteniéndose la recta de carga dinámica, haciendo el nombre referencia a que se esta
estudiando la señal y la misma varía en el tiempo, es decir es dinámica.
En el siguiente grafico, vemos que la señal mencionada anteriormente, va a excursionar de
la siguiente manera:
Del gráfico se observa que para que la señal se amplifique lo más que se pueda, conviene
que el punto Q se encuentre justo a la mitad de la recta. Ya que como se ve en el gráfico
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cuando la señal alcanza los puntos extremos de la recta, la señal se recorta (ya sea por la
saturación, o por el corte del transistor). Por eso es que al momento del diseño, los valores
de los componentes se calculan no sólo para polarizar correctamente al transistor sino
también para que la amplificación sea la máxima posible. A esto se le llama máxima
excursión simétrica, que dada su complejidad, no tocaremos este tema ya que trataremos
de orientarnos mas a la temática del curso, que es el sector de mantenimiento industrial.
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Practico Nº3 (Calculo y diseño de circuito para polarizar un Transistor)
Realizar los cálculos de polarización para los siguientes casos, suponiendo que para todos
los casos implementaremos un transistor 2N3904 (VBE = 0,7v) y luego vamos a
simularlos en nuestro laboratorio virtual.
• Polarización simple con una fuente de 5Vcc y luego realizar el mismo ejercicio con
una fuente de 12Vcc (realizar el ejercicio tanto para un transistor NPN, como para
un PNP)
• Polarización simple con dos fuentes Vbb=9V y Vcc= 12V (realizar el ejercicio tanto
para un transistor NPN, como para un PNP)
• Polarización simple con divisor de tensión y fuente de 12V (realizar el ejercicio
tanto para un transistor NPN, como para un PNP)
• Polarización simple con realimentación en Emisor con una fuente de 9Vcc y luego
realizar el mismo ejercicio con una fuente de 12Vcc (realizar el ejercicio tanto para
un transistor NPN, como para un PNP)
•
Polarización simple con realimentación en Base con una fuente de 9Vcc y luego
realizar el mismo ejercicio con una fuente de 12Vcc (realizar el ejercicio tanto para un
transistor NPN, como para un PNP)
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