Tema 2: EL TRANSISTOR BIPOLAR 2.1 Introducción 2.2 El transistor en régimen estático • Expresiones simplificadas en las regiones de funcionamiento • Curvas características del transistor (configuración en EC). 2.3 Polarización del transistor • Punto de trabajo (Q) • Circuitos de polarización. Recta de carga estática 2.4 El transistor en conmutación 2.5 El transistor como amplificador BIBLIOGRAFÍA TEORÍA: • Boylestad. Electrónica. Teoría de circuitos, Cap. 4 y 5 • Savant et al. Diseño electrónico, Cap. 2 • Malik. Circuitos electrónicos…, Cap. 4 PROBLEMAS: • Benlloch et al. Prob.resueltos de electrónica, Cap. 2 • Waterworth. Electrónica. Cuad. de trabajo, Cap. 2 2.1 INTRODUCCIÓN (1) Objetivos Dispositivo o válvula de control que permite: Regular un flujo de corriente mediante una cantidad de energía pequeña (varía la conductividad entre dos terminales actuando sobre un tercer terminal de control) Etimología Transfer resistor BJT: Bipolar Junction Transistor (transistor bipolar de unión) 2.1 INTRODUCCIÓN (2) Descubrimiento 1948: Brattain, Bardeen, Schockley (Bell Telephone Lab.) (El siglo del Transistor) 2.1 INTRODUCCIÓN (3) Ventajas sobre las válvulas de vacío • Menor consumo y disipación • Tamaño menor (capacidad de integración) • Mayor duración • No requiere un calentamiento previo 2.1 INTRODUCCIÓN: ESTRUCTURA DEL BJT E P N P B TRANSISTOR P-N-P C E N P N C B TRANSISTOR N-P-N Terminales del transistor (C) Colector: dopado intermedio y gran longitud (B) Base: poco dopado y estrecha (E) Emisor: muy dopado y longitud intermedia Forma normal de trabajo Unión b-e: polarización directa ( baja resistencia) Unión b-c: polarización inversa ( alta resistencia) El transistor no es la unión de dos diodos en oposición. 2.1 INTRODUCCIÓN: SÍMBOLOS TRANSISTOR P-N-P E P N P TRANSISTOR N-P-N C E N B P N B IB + IC = IE C C B B IB IC IC E IE IB E IE C 2.2 EL TRANSISTOR EN RÉGIMEN ESTÁTICO 1) Zona ACTIVA (activa directa) Unión E-B: directamente polarizada Unión C-B: inversamente polarizada IE IC P N P + - IE IB N - - + + P N + IB - V BE > 0 V BC < 0 V EB > 0 V CB < 0 IE = IC + IB IC IC ≈ β ∗ IB IC ≈ α ∗ IE α = IC / IE (≈∆IC / ∆IE) : ganancia de corriente en base común (α ≈ 1) β = IC /IB (≈∆IC / ∆IB) : ganancia de corriente en emisor común β es muy variable, (valores típicos entre 10 y 600) 2.2 EL TRANSISTOR EN RÉGIMEN ESTÁTICO (2) Resumiendo, tenemos: • Unión B-E : se comporta como un diodo normal • IC = β ∗ IB : fuente de corriente que depende de IB Modelo del transistor en la zona ACTIVA: B IB C B IB C IC = β I B IC = β * IB IE = IB + IC E PNP IE = IB + IC E NPN 2.2 EL TRANSISTOR EN RÉGIMEN ESTÁTICO (3) 2) Zona de CORTE Unión E-B: inversamente polarizada Unión C-B: inversamente polarizada • La corriente por el transistor (colector-emisor) es muy pequeña (similar a la corriente de un diodo polarizado en inversa) Modelo aproximado de transistor CORTADO: C B IB = 0 E IC = 0 2.2 EL TRANSISTOR EN RÉGIMEN ESTÁTICO (4) 3) Zona de SATURACIÓN Unión E-B: directamente polarizada Unión C-B: directamente polarizada • IB tiende a provocar una IC mayor que la que permite el circuito externo de polarización. IC no puede aumentar más, se SATURA. IC < β IB para IB ≥ IBmínSAT 2.2 EL TRANSISTOR EN RÉGIMEN ESTÁTICO (5) Resumiendo, tenemos: independiente de IB para IB ≥ IBmínSAT • IC • VCE independiente de IB para IB ≥ IBmínSAT VCEsat (Si) ≈ 0.2V independiente de IB, IC (a veces se aproxima a 0v) Modelo del transistor en la zona de SATURACIÓN: C B B C 0.7V O.2V B C 0.7V O.2V E Modelo ideal E PNP E NPN 2.2 EL TRANSISTOR EN RÉGIMEN ESTÁTICO (6) 4) Zona ACTIVA INVERSA Unión E-B: inversamente polarizada Unión C-B: directamente polarizada • No aplicable en la práctica como amplificador, ya que el transistor no es simétrico funcionalmente. • Se utiliza en aplicaciones digitales (puertas TTL). “ALGORITMO” PARA DETERMINAR LA ZONA DE FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR Si unión B-E inversa ⇒ transistor no conduce ( IB ≈ 0) ∗ zona de CORTE (unión B-C inversa) ∗ zona ACTIVA INVERSA (unión B-C directa) Si no Si IC = β IB ⇒ zona ACTIVA VCE > 0.2V (N-P-N) VCE < - 0.2V (P-N-P) Si no zona de SATURACIÓN: ∗ IC < β IB IC = ICsat ∗ VCE ≈ 0.2V (N-P-N); VCE ≈ - 0.2V (P-N-P); NOTA: Las tensiones de los terminales del transistor deben ser compatibles con los límites de la(s) tensión(es) de alimentación Curvas características Configuración en Emisor común (EC) Característica de salida (corriente de colector) Curvas características del transistor (2) Característica de entrada (base) Polarización del transistor. Concepto de punto de trabajo Q • Conjunto de corrientes y tensiones que aparecen en los terminales del dispositivo: VCEQ, ICQ • Es un punto de reposo (en continua). • Deben satisfacerse simultáneamente: ∗ Las curvas características del transistor (Limitaciones especificadas por el fabricante) ∗ Las ecuaciones del circuito de polarización exterior (Limitaciones impuestas por los componentes) Circuitos de Polarización. Recta de carga estática Q(VCEQ , ICQ) V CC IC IB B RB RC VCC = I C * RC + VCE C E NPN EMISOR COMÚN VCC − VCE VCC 1 = − IC = *VCE RC RC RC Recta de carga estática Circuitos de Polarización. Recta de carga estática (2) Ic SATURACIÓN Vcc Rc ICQ P CMÁX Q CORTE V CEQ Elección del punto de reposo (Q): Vcc V CE VCC − VBE Se diseña IB y se calcula RB de forma que: I B = RB Datos: VCC, RC Tipos de polarización. Polarización fija VCC RB RC • IB = (Vcc - VBE) / RB ≈ Vcc / RB = cte • IC = β IB Polarización con realimentación de colector VCC RB RC • IB no es fija, depende de VC • Realimentación negativa • Q es más estable ante variaciones de β Polarización con divisor de tensión y realimentación de emisor VCC R1 RC R2 RE • IB no es fija, depende de R1 // R2, RE • Realimentación negativa • Q más estable que en el caso anterior 2.4 El transistor en conmutación • El transistor pasa de la zona de corte a la de saturación y viceversa (conmuta entre estos dos estados) El transistor en conmutación (2) V CC IC IB Ve B RB RC C Vs • Si el transistor conmuta entre corte y saturación, tanto la entrada como la salida son “digitales”. E • La conmutación se considerará instantánea, si bien existen retardos debido a la redistribución de cargas en las uniones. El transistor en conmutación (3) • Corte: Ve < 0.6V • Saturación: IC < β*IB ⇒ Vs = Vcc ⇒ Vs = 0.2V Ve − 0.6V VCC − 0.2V IB = ; IC = RB RC VCC − 0.2V Ve − 0.6V <β* RC RB VCC − 0.2V + 0.6V = Vesat Ve > RB * β * RC I Bsatmin Vesat − 0.6 VCC − 0.2V = ; I Csat = RB RC El transistor en conmutación (4) Ve Ve sat Ve corte t Vs Vcc Vce sat t Inversor elemental (desfase de 180°) 2.5 El transistor como amplificador • El transistor trabaja en la zona activa (es necesario fijar adecuadamente el punto Q) El transistor como amplificador(2) • Supongamos que se conecta a la malla base-emisor: ∗ un generador de continua de valor VBB en serie con ∗ un generador de alterna de valor vs = Vp*sin(wt) • La corriente de base varía entre los límites (suponiendo VBE ≅ cte): I B máx iB VBB + VP ) − VBE ( = RB VBB + VP * sin( wt ) ) − VBE ( (t ) = RB I B mín VBB − VP ) − VBE ( = RB El transistor como amplificador(3) • Suponiendo que, en todo momento, el transistor permanece en la zona activa, entonces la corriente de colector variará entre los límites: I C máx = β * I B máx iC (t ) = β * iB VBB + VP ) − VBE ( =β* RB VBB + VP * sin( wt ) ) − VBE ( (t ) = β * I C mín = β * I B mín RB VBB − VP ) − VBE ( =β* RB El transistor como amplificador(4) • Lo que implica una variación de la tensión colectoremisor, entre los límites: VCE mín = Vcc − RC * I C máx = Vcc − RC VBB + VP ) − VBE ( *β * RB vCE (t ) = Vcc − RC * iC (t ) VCE máx = Vcc − RC * I C mín = Vcc − RC VBB − VP ) − VBE ( *β * RB • Ganancia de corriente: ∆iC / ∆iB • Ganancia de tensión: ∆vCE / ∆vs siendo vs la entrada alterna (donde las minúsculas significan magnitudes instantáneas)