UNIVERSIDAD FERMÍN TORO VICERECTORADO ACADÉMICO

DECANATO DE INGENIERIA ESCUELA DE ELÉCTRICA

SEDE CABUDARE

Shearly Achji Ricardo Ros

Lab. Electrónica I Saia “A”

Proyecto Nº 3

POLARIZACIÓN BJT

OBJETIVOS

Estudiar las características físicas y operativas de un transistor BJT (Bipolar Junction Transistor).

Analizar el funcionamiento del transistor manejando corte y saturación del mismo.

Diseñar circuitos utilizando transistores.

PREPARACIÓN

Clase dada en la parte teoría de la materia Electrónica I sobre los transistores BJT.

Manejar hojas técnicas de transistores.

PRE-LABORATORIO

1) Defina transistor de unión bipolar.

El transistor de unión bipolar también conocido por la iniciales de su denominación en inglés BJT (Bipolar Junction Transistor) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. La denominación de bipolar se debe a que la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones; pero tienen ciertos inconvenientes, entre ellos su impedancia de entrada bastante baja.

Los transistores bipolares son los transistores más conocidos y se usan generalmente en electrónica analógica aunque también en algunas aplicaciones de electrónica digital, como la tecnología TTL o BICMOS.

De acuerdo con la unión de sus componentes se clasifican en:

El transistor es un dispositivo de tres zonas o capas. Podemos tener una zona de material tipo n en medio de dos zonas de material tipo p, en este caso se denomina transistor pnp, o bien tener una zona tipo p con dos zonas tipo n a cada lado, en cuyo caso estaríamos hablando de un transistor npn.

2) Explique la construcción de un transistor de unión bipolar.

El transistor bipolar es un dispositivo formado por tres regiones semiconductoras, entre las cuales se forman unas uniones (uniones PN). En la figura observamos el aspecto útil para análisis de un transistor bipolar. Siempre se ha de cumplir que el dopaje de las regiones sea alterno, es decir, si el emisor es tipo P, entonces la base será tipo N y el colector tipo P. Esta estructura da lugar a un transistor bipolar tipo PNP. Si el emisor es tipo N, entonces la base será P y el colector N, dando lugar a un transistor bipolar tipo NPN.

El transistor se fabrica sobre un substrato de silicio, en el cual se difunden impurezas, de forma que se obtengan las tres regiones antes mencionadas. En la siguiente figura vemos el aspecto típico de un transistor bipolar real, de los que se encuentran en cualquier circuito integrado. Sobre una base n (substrato que actúa como colector), se difunden regiones p y n+, en las que se ponen los contactos de emisor y base.

Es de señalar que las dimensiones reales del dispositivo sonmuy importantes para el correcto funcionamiento del mismo.Obsérvese la figura a continuación, en ella se pretende dar una idea de las relaciones de tamaño que deben existir entre las tres regiones para que el dispositivo cumpla su misión.

El emisor ha de ser una región muy dopada (de ahí la indicación p+). Cuanto más dopaje tenga el emisor, mayor cantidad de portadores podrá aportar a la corriente.

La base ha de ser muy estrecha y poco dopada, para que tenga lugar poca recombinación en la misma, y prácticamente toda la corriente que proviene de emisor pase a colector, como veremos más adelante. Además, si la base no es estrecha, el dispositivo puede no comportarse como un transistor, y trabajar como si de dos diodos en oposición se tratase.

El colector ha de ser una zona menos dopada que el emisor. Las características de esta región tienen que ver con la recombinación de los portadores que provienen del emisor. En posteriores apartados se tratará el tema.

Por último, en la siguiente figura vemos el resto de componentes de un transistor bipolar, que son los contactos metálicos y los terminales (recordemos que el transistor es un dispositivo de 3 terminales).

3) Dibuje y explique la curva características del transistor.

Curvas características:

Un transistor en régimen estático se encuentra, solamente, bajo la acción de las voltajes continuos que se le aplican para polarizarle. Una forma de resumir este funcionamiento es utilizar las curvas características del transistor, que relacionan las tensiones y las corrientes. Las tensiones y corrientes que se utilizan dependen de la configuración del transistor, pero independientemente de ésta, se distinguen dos tipos de curvas: la característica de entrada y la característica de salida.

a) Características de entrada:

La característica de entrada relaciona dos magnitudes de entrada con una de salida. En el caso de la configuración en emisor común se tiene la corriente de base en función de la tensión base-emisor, para distintos valores de tensión colector- emisor. La corriente de base y la tensión base-emisor son variables de entrada, mientras que la tensión colector-emisor es una magnitud de salida.

Si se tiene una configuración en base común, su característica de entrada relacionará la corriente del emisor con la tensión emisor-base, utilizando la tensión colector-base como parámetro. La corriente de emisor y la tensión emisor-base con las magnitudes de entrada.

La figura muestra las diferentes características de entrada de dos transistores NPN de germanio y silicio respectivamente en función del voltaje base-emisor para dos valores del voltaje colector-emisor.

b) Características de salida:

La característica de salida tiene dos de las tres magnitudes pertenecientes al circuito de salida. Las curvas que relacionan la corriente de colector, la de base y la tensión emisor-colector son características de salida en configuración emisor-común, mientras que las que relacionan la corriente de emisor, la de colector y la tensión colector-base son las curvas correspondientes a una configuración en base común.

4) Determine que es Base, Colector, Emisor y Beta de un transistor.

La zona central se denomina base, y las laterales emisor y colector. Cada una de las zonas consta de un terminal por donde extraer las corrientes. Estos terminales se representan por la inicial del nombre de la zona respectiva: E (emitter), B (base) y C (colector).

E (emitter): La zona de emisor es la más fuertemente dopada de las 3, es la zona encargada de “emitir” o inyectar portadores mayoritarios hacia la base. Huecos en el caso de un transistor pnp o electrones en el caso del transistor pnp.

B (base): La base tiene un nivel de dopado netamente inferior al de la zona de emisor. Se trata de una zona con un espesor muy inferior al de las capas exteriores. Su misión es la de dejar pasar la mayor parte posible de portadores inyectados por el emisor hacia el colector.

C (colector): La zona de colector, como su propio nombre indica es la encargada de recoger o “colectar” los portadores que inyectados por el emisor han sido capaces de atravesar la base. Es la zona con un nivel de dopado inferior de las tres.

El factor Beta: La ganancia de corriente b se define como el cociente entre la corriente de colector y la de base.

5) Investigue 3 hojas técnicas de transistor de unión bipolar y determine Beta y limites de operación.

6) Indique como medir el beta de un transistor con un multímetro.

Examina el transistor de cerca. Puedes ver "E", "B" y "C" en las marcas en el paquete, la designación de los pines son la base, colector y emisor. Si esto no está claro, búscalo en un catálogo de transistores. El catálogo tendrá diagramas de estilos de transistores de casos y sus diseños de pines. Por lo general, los transistores que tienen el estilo mismo caso con las denominaciones de un mismo PIN.

Enciende el multímetro. Configúralo para medir la beta del transistor, girando la perilla selectora para que apunte a HFE o beta.

Inserta las clavijas del transistor, la base, el emisor y el colector en la toma de transistor NPN en el multímetro digital. La toma tendrá marcas para los diferentes pines.

Lee el beta del transistor en la pantalla del multímetro. Un transistor de pequeña señal tendrá una beta en el intervalo de aproximadamente 70 a 450, un dispositivo de potencia media debe tener una de 50 a 200 y un transistor de potencia de alta tendrá una lectura beta de alrededor de 10 a 110. La hoja de datos del transistor dará el rango de esa parte en particular. Si la beta se lee muy bajo, el transistor puede estar dañado.

Los transistores deben estar sueltos y no estar conectados a un circuito con el fin de obtener una lectura beta real.

Si tienes dificultad para determinar la base del transistor, el colector y el emisor, con seguridad puedes intentar distintas combinaciones al cambiar los cables en torno a la toma. Si obtienes una lectura beta que está de acuerdo con la hoja de datos del transistor, has encontrado el arreglo correcto.

7) ¿A qué se denomina Amplificador Emisor Común, Colector Común y Base Común?

AMPLIFICADOR EMISOR COMÚN:

El amplificador con transistor bipolar en emisor común (en adelante EC) es uno de los más utilizados, debido a sus elevadas ganancias tanto de tensión como de corriente, como al hecho de tener unas impedancias de entrada y salida con valores intermedios, lo que le hace ideal para etapas intermedias. El punto de partida del amplificador en EC es el conocido circuito autopolarizado en emisor común con resistencia de emisor que se puede apreciar en la figura siguiente, al que se añaden tres condensadores adicionales.

a) El amplificador con transistor bipolar en emisor común (en adelante EC) es uno de los más utilizados, debido a sus elevadas ganancias tanto de tensión como de corriente, como al hecho de tener unas impedancias de entrada y salida con valores intermedios, lo que le hace ideal para etapas intermedias. El punto de partida del amplificador en EC es el conocido circuito autopolarizado en emisor común con resistencia de emisor que se puede

apreciar en la figura siguiente, al que se añaden tres condensadores adicionales.

b) CE es el condensador de desacoplo. Se usa para desacoplar (o sea desconectar) la resistencia de emisor. Para contestar a la pregunta de por que queremos desconectar dicha resistencia, lo primero que debemos hacer es recordar por qué la incluimos en el montaje. Los transistores bipolares tienen una ganancia de corriente β o hfe muy inestable frente a variaciones de temperatura o de componente, pudiendo llegar a duplicarse. De hecho, para el transistor de la figura, en las hojas de características lo único que nos dice el fabricante sobre la ganancia es que está en el intervalo 200 – 450. La resistencia de emisor proporciona estabilidad al punto de trabajo frente a estas variaciones, pero limita mucho la ganancia. Al incluir el condensador de desacoplo, se mantiene la estabilidad del punto de trabajo (ya que la corriente continua seguirá pasando por RE) pero se aumenta la ganancia de la alterna al comportarse el condensador como un cortocircuito para la señal de alterna, haciendo desaparecer RE.

AMPLIFICADOR COLECTOR COMUN O SEGUIDOR DE EMISOR:

Un amplificador también puede utilizar un transistor con el colector conectado como terminal común. Este circuito se denomina generalmente con el nombre de emisor-seguidor, seguramente porque es análogo al seguidor catódico del tubo de vacío. Se podría creer que el procedimiento de análisis seria el mismo que el seguido para las conexiones en emisor común y en base común, pero este no es el caso. En este circuito, la terminal de entrada es el de la base y la terminal de salida es el emisor. Para encontrar los parámetros del amplificador del colector común gráficamente, se requieren las curvas características del transistor a utilizar.

La configuración en seguidor de emisor se caracteriza por una ganancia de tensión ligeramente menor que la unidad, una elevada impedancia de entrada y una baja impedancia de salida. Generalmente se utiliza como transformador de impedancia en los circuitos de entrada y salida de sistemas amplificadores. Cuando se sitúa en el circuito de entrada, su elevada impedancia de entrada traduce la carga aplicada a la fuente de señal. Cuando se sitúa en el circuito de salida sirve para aislar de la carga la etapa precedente del amplificador y además, da una baja impedancia de salida.

AMPLIFICADOR BASE COMUN:

La configuración en base común. Esta configuración no produce ganancia de corriente, pero sí de la tensión y además tiene propiedades útiles en altas frecuencias.

En la práctica, los valores de los parámetros no se obtienen necesariamente por medio de las pendientes de las curvas. Frecuentemente se usan valores tabulados de los parámetros, para un punto de operación dado. Se puede observar que para cada parámetro se da un valor central de diseño como también valores máximos y mínimos. Los intervalos de valores para cada parámetro indican que en la práctica es razonable hacer algunas aproximaciones. Las hojas de datos suministradas por los fabricantes, generalmente no muestran curvas características de entrada (Base o Emisor), pero contienen las curvas características estáticas de colector de las conexiones emisor y base común, para una temperatura ambiente dada.

8) Mencione que es el punto Q de un transistor y como se obtiene.

PUNTO DE TRABAJO (Q):

El transistor bipolar que opera en la región lineal tiene unas características eléctricas lineales que son utilizadas para amplificación.

En estos circuitos, las señales de entrada son amplificadas a la salida y, por consiguiente, hay un aporte de energía realizado a través de Fuentes de tension externas denominadas fuentes de alimentación o fuentes de polarización.

Las fuentes de alimentación cubren dos objetivos: proporcionar las Corrientes y tensiones en continua necesarias para que el transistor opere en la región lineal y suministrar energía al transistor de la que parte de ella va a ser convertida en potencia (amplificación).

Los valores de corrientes y tensiones en continua en los terminales de un transistor se denomina punto de trabajo y se suele expresar por la letra Q (Quiescent operating point), el punto Q es el punto donde se polariza el transistor, de acuerdo a una gráfica de la corriente de colector(continua) en función de la tensión de colector-emisor(continua), el punto Q estaría en el medio de una pendiente negativa (1/R), esto se hace para trabajar el transistor en zona lineal y no corte ni sature.

Se puede polarizar el transistor de formas q vos necesites, ya sea para que corte o sature. En fin el punto Q es el punto donde polarizas el transistor para trabajar según tu conveniencia.

El análisis del punto de trabajo de un dispositivo, como ya se sabe, se puede llevar a cabo de dos formas diferentes: analítica (realizando un análisis matemático de todas las ecuaciones implicadas) o gráfica ( recta de carga en continua).

Obtener el punto de trabajo Q de un dispositivo consiste básicamente en obtener el valor de las diferentes tensiones y corrientes que se establecen como incógnitas en el funcionamiento del mismo.

El método analítico, se basa en resolver el sistema de ecuaciones que se establece teniendo en cuenta: las leyes de Kirchoff aplicadas a las tensiones y corrientes que definen el funcionamiento del dispositivo; las ecuaciones que se obtienen del comportamiento del mismo, según la región de funcionamiento (circuito equivalente); y las relaciones eléctricas del circuito de polarización usado.

Si se desea realizar el análisis gráfico, hay que disponer en primer lugar de las curvas de funcionamiento del transistor (curvas características de entrada y salida), que se podrían obtener también como representación de las ecuaciones que definen el comportamiento del transistor. Sobre estas curvas se traza la denominada recta de carga en continua (impuesta por el circuito eléctrico externo del transistor), y los puntos de intersección de esta recta con las curvas del dispositivo establece los posibles puntos de trabajo Q. El siguiente paso es determinar exactamente cual de esos posibles puntos es el de funcionamiento.