Universidad de Piura
Componentes Principales
Polarización de Transistores Bipolares
Dr. Ing. César Chinguel Arrese
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2. Componentes Principales 2.2.12. Polarización de Transistores Bipolares Introducción
En este capítulo se analizarán los principales tipo de polarización en corriente continua de los transistores de unión bipolar. En el capítulo anterior se vio como la temperatura y otros factores influyen sobre el valor de la ganancia de corriente . El análisis de este capítulo se
centrará en la influencia de los cambios en la ganancia de corriente sobre el punto de funcionamiento para las diferentes polarizaciones. También se analizará el funcionamiento de algunos circuitos como conmutadores haciendo funcionar al transistor en las regiones de corte y saturación. De este modo el alumno deberá poder reconocer la saturación de los transistores de unión bipolar y diferenciarla del modo activo directo.
Polarización de Base
Lo que hace la polarización de base es establecer un valor fijo de corriente por la base; aunque como ya se mencionó anteriormente este valor de corriente es pequeño en comparación con las otras dos corrientes. En este tipo de polarización se deberá tener en cuenta el parámetro , que es la ganancia de corriente. Se debe tener en cuenta que esta polarización no ofrece un punto de funcionamiento muy estable, debido a que al momento de realizar los cálculos para el punto de funcionamiento se involucra la ganancia, y como ya se mencionó es un parámetro que puede variar por efecto de la temperatura. Si se producen cambios de temperatura, la corriente de colector cambiará y con él también lo hará el punto de funcionamiento. La ilustración 1 muestra el circuito con polarización de base en el que se hará el análisis.
Ilustración 1 Polarización de Base
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En esta primera ecuación queremos hallar la corriente de base, la cual hallaremos al aplicar ley de mallas en el circuito de entrada:
= ∗ + → =
−
Mediante la ganancia, hallaremos la relación de la corriente de entrada con la de salida.
= ∗ La corriente de colector y de emisor son aproximadamente iguales:
≅ Finalmente hallaremos el voltaje colector-emisor al aplicar ley de mallas en el circuito de salida
= ∗ + → = − ∗
Polarización de Emisor:
Ahora se cuenta con una resistencia en el emisor, la cual causara una gran diferencia, ya que ahora el punto de funcionamiento será extremadamente estable. Como se puede ver en el análisis de esta configuración, no se ha usado la ganancia en los cálculos, lo cual hará posible que si la ganancia varia, el punto de funcionamiento no muestre prácticamente ningún movimiento. Analizando el circuito, vemos que ahora la tensión de base alimenta directamente a la base; además el emisor ya no está conectado directamente a tierra, sino que ahora habrá un tensión de emisor.
Ilustración 2 Polarización de Emisor
Calculamos el voltaje del emisor por medio de la ley de mallas en el primer circuito: = − Ahora, hallaremos la corriente que hay en el emisor aplicando la Ley de Ohm:
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=
La corriente de colector y de emisor son aproximadamente iguales: ≅ Finalmente hallaremos el voltaje colector-emisor al aplicar ley de mallas en el circuito de salida = ∗ + ∗ − → = − ( + ) ∗ Ahora, se simulara un circuito con polarización de emisor con la finalidad de comprobar lo anteriormente analizado:
La tensión de base es igual a 5 V, y la tensión de base-emisor que es igual a la tensión de barrera del diodo de entrada se considerara igual a 0.7 V. = 5 − 0.7 = 4.3
=
4.3 1
= 4.3
≅ 4.3 =2.1 V
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Ilustración 3 Gráfica de voltaje
Ilustración 4Gráfica de Corriente
Polarización de emisor con dos fuentes de alimentación En este tipo de polarización la corriente de base es lo suficientemente pequeña como para ser despreciado su valor. Al considerar esto, también se esa asumiendo que la tensión en la base sea igual a cero.
= 0
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La idea de esta polarización es establecer un valor fijo de corriente de emisor.
Ilustración 5 Polarización de emisor con dos fuentes de alimentación
Esta relación surge como resultado de aplicar la ley de mallas en el circuito de entrada: = − Aplicando la ley de Ohm, podemos hallar la corriente en el emisor: = Finalmente hallaremos el voltaje colector-emisor al aplicar ley de mallas en el circuito de salida. = − ∗ + Se ha simulado el siguiente circuito para comprobar lo anteriormente descrito:
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Los terminales de la resistencia, el superior se encuentra a un voltaje de -0.7 y el inferior a un voltaje de -2, con lo cual el voltaje en la resistencia de emisor es igual a la diferencia del valor menos negativo menos el valor más negativo. = −0.7 − (−2) = 1.3
=
1.3 1.8 Ω
= 0.722
= 12 − 0.722 ∗ (1.8 + 3.6)Ω = 8.10
Ilustración 6 Gráfica de Voltaje
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Ilustración 7 Gráfica de Corriente
Polarización con realimentación de emisor: Es similar a la polarización de base, con la diferencia que ahora esta nueva polarización cuenta con una resistencia en el emisor. La idea fundamental es: “Si aumenta, aumenta, lo que hace que también aumente. Cuanto mayor sea menos tensión caerá en , lo que da lugar a una menor , en oposición al incremento original de . Esto es lo que denomina realimentación, porque la variación en la tensión de emisor alimenta de nuevo al circuito de la base.”
La finalidad de la polarización con realimentación de emisor es anular las variaciones de , es decir que tienes que ser mucho mayor que
, si esto se cumple este
circuito será insensible los cambios de ganancia ; si es que no se cumple lo anterior esta polarización también presentara grandes variaciones en las posiciones de su punto de funcionamiento.
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Ilustración 8 Polarización con realimentación de emisor
Ahora vemos que la corriente de emisor pasa por la resistencia de base y de emisor: − = +
Se sigue asumiendo que los valores de corriente de emisor y colector son aproximados: ≅ Finalmente se busca hallar el voltaje colector-emisor: = + ( + ) ∗ → = − ( + ) ∗
Polarización con realimentación de colector
Esta polarización consiste en realimentar una tensión de base con el fin de neutralizar cualquier variación de la corriente de colector; además se debe tener en cuenta que: “si la corriente de colector aumenta, la tensión de colector disminuye y a su vez también lo hará la tensión en la resistencia de base. Como consecuencia, esto hace que disminuya la corriente de base, lo que se opone al incremento original en la corriente de colector.”
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Ilustración 9 Polarización con realimentación de colector
Para hallar la corriente de emisor, lo hacemos con la siguiente formula: − = +
Si se le quiere dar mayor estabilidad, se tiene que cumplir que: = ∗ Las corrientes de emisor y colector se consideran aproximadas: ≅ Finalmente calculamos la tensión emisor-colector: = + ∗ → = − ∗ Se simuló el siguiente circuito que presenta una polarización con realimentación de colector:
Polarización con realimentación de emisor y colector Este tipo de polarización surge como resultado de encontrar una mayor estabilidad para el punto de funcionamiento; para ello se usa una combinación de una resistencia de emisor y una resistencia de colector.
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Ilustración 10 Polarización con realimentación de emisor y colector
Vemos que para hallar la corriente de emisor se tendrá en cuenta las resistencias de base, de emisor y de colector: − = + +
Las corrientes de emisor y colector se consideran aproximadas: ≅ La fórmula para calcular la tensión emisor-colector es la siguiente: = + ( + ) ∗ → = − ( + ) ∗
Polarización por partidor de tensión
Este tipo de polarización deriva de la polarización de emisor, con lo cual establece un valor fijo de la corriente de emisor y de esta forma nos da un punto de funcionamiento que no cambia frente a las variaciones de ganancia de corriente.
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Ilustración 11 Polarización por partidor de tensión
Como la corriente de base es aproximadamente cero y presenta un carácter despreciable frente al partidor de tensión, podemos imaginar abierta la conexión entre el divisor de tensión y la base.
Aplicando los conceptos de partidor de voltajes, podemos decir que el Voltaje es igual a:
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=
+
∗
Además, tenemos que calcular el voltaje en el emisor, ya que será igual al voltaje en la resistencia d emisor: = − = ≅ Finalmente, se puede hallar el voltaje colector-emisor de la siguiente forma:
= + ( + ) ∗ → = − ( + ) ∗
Criterios de estabilidad
Para un correcto funcionamiento de nuestro transistor, se deben seguir una serie de criterios que nos ayuden a hacer más estable nuestro punto de funcionamiento. Normalmente un circuito se polariza para obtener una tensión que se encuentre en el punto intermedio de la recta de carga para una corriente de colector específica. Los criterios que se deben tener en cuenta son los siguientes:
Como se está trabajando con una polarización con partidor de tensión, se debe tener en cuenta que:
< 0.1
Y además que:
<
∗
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La tensión de emisor debe ser aproximadamente igual a la décima parte de la tensión de alimentación.
= 0.1 El valor de queda establecido por:
=
Como se mencionó, el punto de funcionamiento debe estar en la mitad de la recta de carga, con lo cual se debe cumplir que:
= 0.5
Por lo tanto, el voltaje en el colector, sería igual a la cuarta parte del voltaje de alimentación.
= + +
= 0.4
La resistencia de colector debe ser cuatro veces la resistencia de emisor.
= 4
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Bibliografía
http://mdgomez.webs.uvigo.es/DEI/Guias/tema5.pdf http://cvb.ehu.es/open_course_ware/castellano/tecnicas/electro_gen/teoria/tema-4teoria.pdf http://ocw.um.es/ingenierias/tecnologia-y-sistemas-electronicos/material-de-clase1/tema-3.-transistores-de-union-bipolar-bjt.pdf
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