91416826 Polarizacion de DC Para BJT

Electrónica II Polarización de DC para BJT. Universidad del Caribe. Caribe. RD Fidel Espinal 2008-5042 

Introducción

Es aquel dispositivo electrónico que está constituido por tres materiales semiconductores extrínseco, de forma PNP o NPN, es decir, porción de material N, seguido de material P, luego otra porción de material N, en el tipo NPN, y de forma análoga en el PNP, pero con los materiales semiconductores inversos. El transistor BJT se conoce también como transistor bipolar, porque la conducción es a través de huecos y electrones. Existen una gran variedad de circuitos de polarización, dentro de los cuales podem os identificar claramente cuatro tipos básicos: a) circuito de polarización fija (corriente de base constante) b) circuito de polarización estabilizada por emisor c) circuito de polarización por divisor de voltaje (tipo H o universal) d) circuito de polarización por realimentación de colector

El transistor bipolar o BJT de construcción básica consiste en dos uniones PN producción de tres

terminales de conexión con cada terminal se le asigna un nombre para distinguirlo de los otros dos. Estos tres terminales son conocidos y etiquetados como el   emisor ( E ), la base ( B ) y el colector ( C ), respectivamente.

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1947 Laboratorios Bell AT&T Primer transistor 1949 W. Shockley – Teoria William Shockley ; John Barden, Walter Brattain. 1951 Fabricación en serie.

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Estados de Funcionamiento Se diferencian tres estados de funcionamiento, que dependen de las características dinámicas del circuito en el que va conectado. Estas características son: 1. Saturación. El transistor permite el paso de corriente desde el colector al emisor. De todas formas esta corriente no puede ser demasiado elevada, ya que la propia corriente calienta al transistor por efecto Joule y si se calienta excesivamente, puede estropearse de forma permanente.

Para un transistor de silicio que se encuentra en saturación la tensión entre la base y el emisor es de 0,7 V y entre la base y el colector de unos 0,5 V, de donde se deduce que la tensión entre el colector y el emisor será de unos 0,2 V. 2. Corte. En este estado el transistor no permite el paso de corriente entre el colector y el emisor, se comporta como si fuera un interruptor abierto.

Para un transistor de silicio que se encuentra en corte las corrientes de emisor y de colector son nulas y las tensiones entre la base y el emisor y entre la base y el colector son ambas menores de 0,7 V. 3. Amplificación. Cuando un transistor se encuentra en este estado de funcionamiento, permite amplificar la potencia de una señal. Por lo tanto si lo que se pretende es que el transistor se comporte como un interruptor controlado electrónicamente, lo único que hay que consegu ir es que pase de los estados de saturación a corte y viceversa. Eso sí hay que tener en cuenta las limitaciones de corriente, para no deteriorarle.

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Similitud entre Configuraciones

 A medida que el transistor bipolar o BJT es un dispositivo de tres terminales, hay básicamente tres formas posibles de la conectan dentro de un circuito electrónico con un terminal de ser común a la entrada y salida. Cada método de conexión de responder de forma diferente a su señal de entrada dentro de un circuito como las características estáticas del transistor variará con cada disposición de circuito.   

Configuración de base común - tiene una ganancia de tensión pero no de ganancia actual. Configuración de emisor común - tiene tanto la ganancia de corriente y tensión. Configuración de colector común - tiene Ganancia de corriente, pero no ganancia de tensión. • Aunque el transistor posea únicamente tres terminales, se puede realizar su estudio como un

cuadripolo (dos terminales de entrada y dos de salida) si uno de sus terminales es común a la entrada y salida: • Base común (BC): Aicc=1; Re pequeña; Rs muy grande. • Colector común (CC): Aicc elevada; Re muy grande; Rs muy pequeña. • Emisor común (EC): Aicc elevada; Re pequeña; Rs grande. • El montaje EC se aproxima más al amplificador de corriente ideal. • El montaje BC permite adaptar una fuente de baja resistencia que ataca a una carga de alta resistencia. • El montaje CC adapta una fuente de alta resistencia de salida a una carga de bajo valor 

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Circuito de Polarización Fija

El circuito de polarización fija de la figura 4.2 proporciona una introducción relativamente directa y simple al análisis de polarización de cd de transistor. Aun cuando la red emplea un transistor NPN, las ecuaciones y cálculos se aplican en forma correcta por igual a una configuración PNP con sólo cambiar todas las direcciones de corriente y polaridades de voltaje. Las direcciones de corriente de la figura 4.2 son las direcciones de corriente reales, y los voltajes se definen por la notación estándar de subíndice doble. Para el análisis de cd la red puede aislarse de los niveles de ca indicados, remplazando los capacitores por un circuito abierto equivalente. Además, la fuente de cd VCC puede dividirse en un par de fuentes (para propósitos del análisis solamente), como se ilustra en la figura 4.3, para permitir una separación de los circuitos de entrada y de salida. Esto reduce también el enlace entre las dos a la corriente de base IB. La separación es ciertamente válida, como observamos en la figura 4.3, ya que VCC se conecta directamente a RB y RC del mismo modo,que en la figura 4.2.

Figura 4.2 Circuito de polarización fija.

Figura 4.3 Equivalente de cd de la figura 4.2

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Polarización directa de Base-Emisor

Considérese primero la malla circuito base-emisor que se muestra en el diagrama de circuito parcial de la figura 4.4. Escribiendo la ecuación de voltaje de Kírchhoff para la malla obtenemos Nótese la polaridad de la caída de voltaje a través de RB, como se establece por la dirección indicada de IB. Resolviendo la ecuación para la corriente IB se tendrá el siguiente resultado: IB = (VCC - VBE) / RB

En realidad, la ecuación (4.4) no es difícil de recordar si se considera simplemente que la corriente de base es la corriente a través de RB y , por la ley de Ohm, esa corriente es el voltaje a través de RBdividido entre la resistencia RB. El voltaje a través de RB es el voltaje aplicado VCC en uno de los extremos menos la caída a través de la unión base-emisor (VBE).

Figura 4.4 Malla de colector-emisor

Figura 4.5

La sección de colector-emisor de la red aparece en la figura 4.5 con la dirección indicada de la corriente IC y la polaridad resultante a través de RC. La magnitud de la corriente de colector se relaciona directamente con IB por medio de IC = b IB

Es interesante notar que, en vista de que la corriente de base se controla por el nivel de RB e IC se relaciona con IB por una constante b la magnitud de IC no es una función de la resistencia RC. El cambio de RC a cualquier nivel no afectará el nivel de IB o IC en tanto que permanezcamos en la región activa del dispositivo. Sin embargo, como veremos posteriormente, el nivel de RC determinará la magnitud de VCE, el cual es un parámetro importante.  Aplicando la ley de voltaje de Kirchhoff en la dirección de las manecillas del reloj a lo largo de la malla indicada en la figura 4.5, se obtendrá el resultado siguiente VC + ICRC - VCC = 0 VCE = VCC - ICRC 

el que establece en palabras que el voltaje a través de la región de colector-emisor de un transistor en la configuración de polarización fija es la fuente de voltaje menos la caída a través de RC . Como un breve repaso de la notación de subíndice y doble subíndice, recuérdese que VCE = VC - VE 

donde VCE es el voltaje de colector a emisor y VC y VE son los voltajes de colector y emisor a tierra, respectivamente. Pero en este caso, ya que VE = 0 V, tenemos VCE = VC 

 Además, puesto que VBE = VB - VE 

y VE = 0 V, entonces VBE = VB

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Circuito de Polarización Estabilizado en Emisor

Para este tipo de polarización hay que mencionar que el punto Q no es muy estable y que a medida que el transistor este trabajando, este punto tiende a desplazarse. Para compensar las variaciones de tensión y corriente que se producen en el transistor, podemos agregar una resistencia en el emisor. Si lo que queremos es mantener el mismo punto Q del circuito anterior (polarización fija), debemos recalcular las resistencias de base y colector, y calcular la nueva resistencia de emisor. Considérese primero la malla circuito base-emisor que se muestra en el diagrama de circuito parcial de la figura 4.4. Escribiendo la ecuación de voltaje de Kírchhoff para la malla obtenemos Nótese la polaridad de la caída de voltaje a través de RB, como se establece por la dirección indicada de IB. Resolviendo la ecuación para la corriente IB se tendrá el siguiente resultado: IB = (VCC - VBE) / RB

En realidad, la ecuación (4.4) no es difícil de recordar si se considera simplemente que la corriente de base es la corriente a través de RB y , por la ley de Ohm, esa corriente es el voltaje a través de RBdividido entre la resistencia RB. El voltaje a través de RB es el voltaje aplicado VCC en uno de los extremos menos la caída a través de la unión base-emisor (VBE). Malla de base-emisor 

La malla de base a emisor de la red de la figura 4.17 se puede volver a dibujar, como se ilustra en la figura 4.18. Al aplicar la ley de voltaje de Kirchhoff alrededor de la malla indicada en dirección de las manecillas del reloj, obtendremos como resultado la siguiente ecuación: VCC - IBRB - VBE - IERE = 0

Recordando que IE = (b + 1)IB

Sustituyendo a IE en la ecuación (4.15) da por resultado VCC - IBRB - VBE - (b + 1)IBRE = 0

 Agrupando términos, nos da lo siguiente: -IB(RB + (b + 1)RE) + VCC - VBE = 0

Multiplicando todo por (-1), obtenemos IB(RB + (b + 1)RE) - VCC + VBE = 0

y resolviendo IB llegamos a IB = (VCC - VBE)/(RB + b (RC+RE))

Nótese que la única diferencia entre esta ecuación para IB y la obtenida para la con figuración de polarización fija es el término (b + 1) RE. Hay un resultado interesante que puede derivarse de la ecuación (4.17) si la ecuación se utiliza para trazar una red en serie que resultaría en la misma ecuación. Tal es el caso para la red de la Figura 4.19. Resolviendo para la corriente IB resultará la misma ecuación obtenida anteriormente. Adviértase que al lado del voltaje de base a emisor VBE el resistor RE es reflejado a la entrada del circuito de base por un factor (b + 1). En otras palabras, el resistor de emisor, el cual es parte

de la malla de colector-emisor, "parece como" (b + 1 )RE en la malla de base-emisor. Puesto que b es por lo general 50 o más, el resistor de emisor parece ser m ucho más grande en el circuito de base; tanto, para la configuración de la figura 4.20.

Figura 4.17 Circuito de polarización BJT con resistor de emisor.

Figura 4.18 Malla de base-emisor 

Figura 4.19 Malla de base-emisor

Malla de Colector-Emisor 

 Aplicando la ley de voltaje de Kirchhoff para la malla indicada en dirección de las manecillas del reloj, resultará que IERE + VCE +ICRC - VCC = 0

Sustituyendo IE =IC y agrupando términos, se obtiene VCE - VCC + IC(RC + RE) = 0 VCE = VCC + IC(RC + RE)

El voltaje con subíndice sencillo VE es el voltaje de emisor a tierra y se determina por  VE = IERE 

mientras que el voltaje de colector a tierra puede determinarse a partir de VCE = VC - VE  VC = VCC - ICRC 

E1 voltaje en la base con respecto a tierra puede determinarse a partir de VB = VCC - IBRB

VB = VBE + VE 

Estabilidad de Polarización Mejorada

La adición de la resistencia de emisor a la polarización de cd del BJT proporciona una mejor estabilidad; esto es, las corrientes y voltajes de polarización de cd se mantienen más cerca de los puntos donde fueron fijados por el circuito aun cuando cambien las condiciones externas como el voltaje de alimentación, la temperatura e incluso la beta del transistor. Aunque el análisis matemático puede obtenerse cierta comparación del mejoramiento. del colector o la comente del colector máxima para un diseño polarizado de emisor puede determinarse mediante el mismo enfoque empleado en la configuración de polarización fija: aplicar un corte circuito entre las terminales colector -emisor, como se ilustra en la figura 4.23, y calcular la corriente del colector resultante. Para la figura 4.23: El Nivel de Saturación

ICsat = VCC  / (RC +RE)

La adición del resistor de emisor reduce el nivel de saturación del emisor debajo del nivel que se obtiene con una configuración de polarización fija por medio del mismo resistor del colector.

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Circuito de Polarización por Divisor de Voltaje Circuito de polarización por divisor de voltaje: con este tipo de polarización la estabilidad del punto Q es mucho mejor, es decir a medida que el transistor este trabajando, los valores de ICQ, VCEQ se mantendrán casi inalterables. Es por esta razón que e ste tipo de polarización es la más utilizada cuando se trata de diseñar un amplificador. Para determinar los valores de las resistencias de polarización, seguiremos considerando los mismos criterios de diseño, como ya mencionamos anteriormente, los cuales facilitan el cálculo de las resistencias. Análisis exacto

La parte de entrada de la red de la figura 4.25 puede volverse a dibujar, como se muestra en la figura 4.27, para el análisis de cd. La red de Thévenin equivalente para la red a la izquierda de la terminal de base puede hallarse entonces de la siguiente manera: RTh: La fuente de voltaje se reemplaza por un corto circuito equivalente, como se ilustra en la figura 4.28. RTh = R1½ ½ R2

ETh: La fuente de voltaje VCC se reintegra a la red y el voltaje Thévenin del circuito abierto de la figura 4.29 se determina como sigue: Aplicando la regla del divisor de voltaje: ETh = VR2 = R2VCC  / (R1 + R2)

La red Thévenin se vuelve a dibujar entonces, como se ilustra en la figura 4.30,e IBQ se puede determinar al aplicar en primer lugar la ley de voltaje de Kirchhoff en dirección de las manecillas del reloj para la malla indicada: ETh - IBRTh - VBE -IERE = 0

Sustituyendo IE = (b + 1)IB y resolviendo IB

Análisis aproximado

La sección de entrada de la configuración con divisor de voltaje puede representarse por medio de la red de la figura 4.32. La resistencia R¡ es la resistencia equivalente entre base y tierra para el transistor con un resistor de emisor RE. Recuerde que la resistencia reflejada entre la base y el emisor se define por Ri (b + 1) RE, Si Ri es mucho mayor que la resistencia R2, la corriente IB será mucho menor que I2 (la corriente siempre busca la trayectoria de menor resistencia) e I2 será aproximadamente igual a I1. Si aceptamos la aproximación de que IB es de 0 amperios comparada con I1 o I2 entonces I1 I2 y R1 y R2 pueden considerarse elementos en serie. El voltaje a través de R2, que es en realidad el voltaje de base, puede determinarse por medio de la regla del divisor de voltaje (y de aquí proviene el nombre para la configuración). Es decir, VB = R2VCC / (R1 + R2) Puesto que R1 (b + 1) RE b RE la condición que definirá si el enfoque aproximado puede aplicarse será la siguiente: b RE ³ 10 R2 En otras palabras, si el valor de beta multiplicado por RE es al menos 10 veces el valor de R2, el enfoque aproximado puede aplicarse con un alto grado de precisión. Una vez que se determina VB, el nivel de VE se puede calcular a partir de VE = VB - VBE y la comente de emisor se puede determinar a partir de IE = VE / RE ICQ » IE El voltaje de colector a emisor se determina por VCE = VCC - ICRC - IERE pero, ya que IE = IC, VCEQ = VCC - IC(RC + RE)  Advierta que en la secuencia de los cálculos, de la ecuación (4.33) a la ecuación (4.37), no aparece beta e IB no fue calculada. El punto Q (como se determina por ICQ y VCEQ) es por tanto independiente del valor de beta. Saturación del transistor 

El circuito colector-emisor de salida para la configuración con divisor de voltaje tiene el mismo aspecto que el circuito polarizado de emisor analizado en la sección 4.4. La ecuación resultante para la corriente de saturación (cuando VCE se establece a cero voltios en el diagrama) es, por tanto, la misma que se obtiene para la configuración polarizada de emisor. Es decir, ICsat = ICmáx = VCC  / (RC + RE)

Análisis por recta de carga

Las similitudes con el circuito de salida de la configuración polarizada de emisor resultan en las mismas intersecciones para la recta de carga de la configuración con divisor de voltaje. La recta de carga tendrá por consiguiente el mismo aspecto que la de la figura 4.24, con el nivel de IB se determina, por supuesto, por una ecuación distinta para la polarización con divisor de voltaje y las configuraciones polarizadas de emisor.

Polarización de DC con Retroalimentación de Voltaje

‡ Un nivel mejorado de estabilidad también se obtiene mediante la introducción de una trayectoria de retroalimentación desde el colector a la base. ‡ El pto Q no es totalmente independiente de beta , la sensibilidad a los cambios en beta o a las variaciones en temperatura son menores que los encontrados en polarización fija o polarización en emisor. Polarización

Un material dieléctrico (aislante) puede verse como un conjunto de muchas cargas eléctricas dipolares (de un lado positiva y del otro lado negativa). Si no existe estímulo externo, estas cargas están "desordenadas"; es decir, apuntan en diferentes direcciones y la carga neta total es igual a cero. Cuando se aplica un campo eléctrico externo, (por ejemplo acercando el material a un objeto fuertemente cargado eléctricamente), la carga eléctrica en el material se POLARIZA, es decir se "ordenan" alineándose en la dirección del campo. Eso produce que la carga total del material sea distinta de cero, lo que le da la propiedad de atraer o repeler otros objetos. En algunos materiales la POLARIZACIÓN es permanente y en otros sólo dura mientras estén cerca del campo que los está polarizando.

Malla: Se llama malla en un circuito a cualquier camino cerrado.

FIG. 1 En el ejemplo de la figura hay tres mallas:  ABEF BCDE  ABCDEF El contorno de la malla está formado por ramas. Hay tres ramas: EFAB BE BCDE

Saturación: Región de funcionamiento de un transistor en que ambas junturas del transistor se hallan

polarizadas en directo, lo que causa que el voltaje entre colector y emisor sea muy pequeño (casi 0 voltios). Región de saturación : Un transistor está saturado cuando la corriente de colector = lacorriente 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. La Recta de Carga es una herramienta que se emplea para hallar el valor de la corriente y la tensión del

diodo. Las rectas de carga son especialmente útiles para los transistores, por lo que más adelante se dará una explicación más detallada acerca de ellas. Estas son las distintas formas de analizar los circuitos con diodos:   

EXACTA POR TANTEO: Ecuación del diodo exponencial y ecuación de la malla. MODELOS EQUIVALENTES APROXIMADOS: 1ª aproximación, 2ª aproximación y 3ª aproximación. DE FORMA GRÁFICA: Recta de carga.

Hasta ahora hemos visto las 2 primeras, la tercera forma de analizarlos es de forma gráfica, esto es calculando su recta de carga.

Divisor de voltaje

Un divisor de voltaje consta de al menos dos resistencias en serie con una fuente de voltaje. Para dos resistencias el voltaje se divide de acuerdo con V1 = V R1 / (R1 + R2) y V2 = V R2 / (R1 + R2)

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Bibliografía

http://roble.pntic.mec.es/~jsaa0039/cucabot/bipolar-intro.html http://www.unicrom.com/Tut_transistor_bipolar.asp http://jorgemendozapua.blogspot.com/ http://quintonochea.wikispaces.com/