BJT Colector Común PNP

INSTITUTO TECNOLÓGICO TECNOLÓGICO DE PUEBLA

FÍSICA IV PROFESOR: PROFESOR: VÍCTOR MANUEL PERUSQUÍA ROMERO  TRABAJO: BJT (PNP) COLECTOR COMÚN EQUIPO 6

INTRODUCCIÓN Definición: El Tran Transi sist stor or de Unió Unión n bipo bipola lar, r, abre abrevi viad ado o como como BJT, BJT, es un disp dispos osit itiv ivo o electrónico semiconductor, construido a partir de 3 regiones dopadas y 2 uniones PN. Este dispositivo consta de 3 terminales: Emisor (E), Base (B) y Colector (C). La característica principal de este dispositivo es que tiene la propiedad de controlar una corriente en el circuito de salida mediante una corriente en el circuito de entrada.

El transistor de unión bipolar, se fabrica básicamente sobre un monocristal de Germa erman nio, io, Sili Siliccio o Arsen rseniu iuro ro de galio alio,, que tien tienen en cualid alida ades de semiconductores, estado intermedio entre conductores como los metales y los aislantes como el diamante. Sobre el sustrato de cristal, se contaminan en forma muy controlada tres zonas, dos de las cuales son del mismo tipo, NPN o PNP, quedando formadas dos uniones NP.

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Los BJT poseen dos zonas semiconductoras, que pueden ser de tipo P ó N, y entre ambas una zona muy delgada que puede ser del tipo P ó N respectivamente.

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Éste conjunto formará dos uniones PNP: Si las dos zonas exteriores son del tipo P y la interior es del tipo N, el transistor será del tipo PNP.

Transistor tipo PNP

OPERACIÓN DEL TRANSISTOR

La operación básica del transistor se describirá ahora empleando el transistor transistor NPN es exactamente igual si se intercambian PNP. La operación del transistor los papeles que desempeñan los electrones y los huecos. En la Figura A se ha redibujando redibujando el transistor transistor PNP sin la polarización base a colector. El ancho de la región de agotamiento se ha reducido debido a la polarización aplicada, lo que produce un denso flujo de portadores mayoritarios del material tipo  p al tipo n.

Figura A.- Unión polarizada p olarizada directamente de un transistor PNP.

Figura B.- Unión polarizada inversamente de un transistor PNP.

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Recuérdese que el flujo de portadores mayoritarios es cero, por lo que sólo se presenta un flujo de portadores minoritarios, como se ilustra en la figura B. En resumen, por tanto: Una unión p-n de un transistor está polarizada inversamente, en tanto que la otra presenta polarización directa.

En la Figura C, ambos potenciales de polarización se han aplicado a un transistor PNP, con un flujo de portadores mayoritario y minoritario que se indica. Nótense los anchos de las regiones de agotamiento, que indican con toda claridad qué unión está polarizada directamente y cuál inversamente. Como se indica en la figura 7, un gran número de portadores mayoritarios se difundirán a través de la unión  p-n polarizada directamente dentro del material tipo n.

Figura C.- Flujo de portadores mayoritarios y minoritarios de un transistor  PNP.

Aplicando la ley de corriente de Kirchhoff al transistor de la figura 7 como si fuera un solo nodo, obtenemos IE = IC + IB  Y descubrimos que la corriente en el emisor es la suma de las corrientes en el colector y la base, Sin embargo, la corriente en el colector está formada por dos componentes: los portadores mayoritarios y minoritarios como se indica en la figura 7. La componente de corriente minoritaria se denomina corriente de fuga y se simboliza mediante ICO (corriente IC con la Terminal del emisor abierta = open). Por lo tanto, la corriente en el colector se determina completamente mediante la ecuación. IC = IC mayoritaria + ICO minoritaria

En el caso de transistores de propósito general, IC se mide en mili amperes, en tanto que ICO se mide en micro amperes o nanoamperes. ICO como Is para un diodo polarizado inversamente, es sensible a la temperatura y debe examinarse con cuidado cuando se consideren aplicaciones de intervalos

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amplios de temperatura. Si este aspecto no se trata de manera apropiada, es posible que la estabilidad de un sistema se afecte en gran medida a elevadas temperaturas. Las mejoras en las técnicas de construcción han producido niveles bastante menores de ICO, al grado de que su efecto puede a menudo ignorarse.

CONFIGURACIÓN DE COLECTOR COMÚN

La configuración de colector común se utiliza sobre todo para propósitos de acoplamiento de impedancia, debido a que tiene una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, contrariamente a alas de las configuraciones de base común y de un emisor común que es lo opuesto a las configuraciones de base común y de emisor común. Véase Figura D.

Figura D.- Notación y símbolos en la configuración de colector común.

La señal se aplica a la base del transistor y se extrae por el emisor. El colector se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta configuración se tiene ganancia de corriente, pero no de tensión que es ligeramente inferior a la unidad. Esta configuración multiplica la impedancia de salida por β + 1. β = IC/IB

Configuración de colector común utilizado para propósitos de acoplamiento de impedancia. CARÁCTERISTICAS

Colector Común – Seguidor de tensión

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Modelo Gráfico.

 Todas las intensidades entran al transistor, como se ha comentado anteriormente.

PROCEDIMIENTO ANALÍTICO PARA EL CÁLCULO DEL PUNTO DE OPERACIÓN Punto de Operación (Q)

En este punto se va a incidir de nuevo sobre ello, aunque de forma muy breve, lo que nos permitirá introducir el concepto de recta de carga en continua y al mismo tiempo conectar con los temas de ubicación y estabilidad del punto Q. 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 delas diferentes tensiones y corrientes que se establecen como incógnitas en el funcionamiento el 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.

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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 cuál de esos posibles puntos es el de funcionamiento.

EJEMPLOS NÚMERICOS RESUELTOS EJERCICIO 1 Determinar IB , IC , VCEQ para la siguiente red.

Solución: La aplicación de la ley de voltaje de Kirchhoff al circuito de entrada dará por resultado: -IBRB – VBE –IERE+ VCC = 0 Pero: IE = (β + 1) * IB VEE - VBE - (β + 1) * IBRE - IBRB = 0 IB = (VEE - VBE) / (RB + (β + 1) * RB) Sustituyendo valores: IB = (30V – 0.7 V) / (460KΩ + (46)*(2KΩ) IB = 0.532 µA IC = β * IB = 45 * (0.532 * 10-6) = 0.2394 µA Ic max= Vcc / Rc = 30 volts / 2000 = 15 mA

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La aplicación de la ley de Kirchhoff al circuito de salida resultara: - VEE + IERE + VCE = 0 Pero: IE = (β + 1) * IB VCE = VEE - (β + 1) * IBRE VCE = 30V – (46) * (0.532µA) * (2KΩ) = 29.95V

EJERCICO 2

El amplificador de la figura 4.20a contiene un transistor PNP en configuración colector común, obtener el punto Q. Solución: Aplicando la ley de Kirchhoff a lo largo de camino que evita las fuentes de corriente da -9+1K (31IB) + 51k IB + 0.7 +2.4k (31IB)=0 Resolviendo da IB = 53.1uA e IC =1.59mA. La tensión del nodo emisor es VE = 0 – 2.4k (31I B)=-3.95V  Y la tensión del nodo del colector es VC =-9 + 1k (31)53.1x 10exp-6= -7.35V Por lo tanto, V CE =-7.35V-(-3.95V)=-3.40V. La figura 4.20c muestra el punto de funcionamiento sobre las características de salida y esto confirma el funcionamiento activo.

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EJERCICIO 3

En el circuito de la figura y suponiendo T 1 y T2 transistores de silicio con β1 = 50 y β2 = 20, determinar: a) Punto de funcionamiento (I C, VCE) de cada uno de los transistores para Vi 10V. b) Valor mínimo de V i que satura a alguno de los transistores y punto de funcionamiento en este caso de T 1 y T2.

Solución: a) Pto. Trabajo / Vi = 10V  Thevenin en la base de T1:

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Ecuación malla base T 1 0,8Vi = IB1 − R T + VBE1 + (IE1 + IC2)RC = IB1R T + VBE1 + ((1 + β2)IB1 + β2β1IB1)RC ((Es un montaje Darlington en el sentido de que = β1 β2)) Para Vi = 10V: 8 = IB1 ・ 16 + 0,7 + (51I B1 + 1000IB1) ・ 10 IB1 = 0,693μA IC1 = β1 ・ IB1 = 0,0346mA = IB2 IC2 = β2 ・ IB2 = 0,693mA Malla de colector de T2 VCC = IE2 ・ RE + VEC2 + (IE1 + IC2) ・ RC VEC2 = . . . = 15,45V ⇒ Activa. VCE1 = VEC2 = VEB2 = . . . = 14,75V ⇒ Activa, suposición correcta. b) Valor de Vi que sature al grupo de los transistores y pto. func.

Malla colector T1: VCE = (1 + β2)β1 ・ IB1 ・ RE + VEB2 + VCE1 + [(1 + β1)IB1 + β1β2IB1] ・ RC 30 = 21 ・ 50 ・ IB1 ・ 10 + 0,7 + 0,2 + [51I B1 + 1000IB1] ・ 10 IB1 = IB1 SAT = 1,385μA IC1 SAT = IB1 SAT ・ β = 0,0692mA IC2 = βIB2 = 1,385mA

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VCE1 = VCE SAT 1 = 0,2V VEC2 = VEB2 + VCE1 = 0,7 + 0,2 = 0,9V 0,8Vi = IB1 ・ R T + VBE1 SAT + (IB1 + IC2) ・ RC Vi = 19,22V

EJERCICIO 4

Esta rama no es otra que la que es común a las dos mayas y se encuentra, en este caso, conectada al emisor del transistor, por lo cual decimos que el mismo es emisor común. Reemplazamos nuestro circuito por un modelo equivalente manteniendo, claro esta, la unión de las dos mayas. Podemos plantear la ecuación de cada uno de los subcircuitos. Vbb–Ib*Rb–Vd=0 y Vcc– Ic*Rc–Vce, donde Vce es la tensión que cae en nuestro componente equivalente. Basándonos en los datos que conocemos calculamos: 2V–Ib*10KΩ-0,7V=0 1,3V=Ib*10K Ω Ib=1,3V/10K Ω Ib=0,13ma. Habiendo averiguado la corriente de base y utilizando la formula Ic=β*Ib, con un β=100, podemos decir que Ic=100*0,13ma Ic=13ma. Reemplazamos los valores en la ecuación de la segunda maya: 12V–13ma*0,5KΩ-Vce=0 Vce=12V–6,5V Vce=5,5V. Lo único que resta por calcular es la corriente del emisor que ya dijimos que es la suma de las corrientes que circulan por las dos mayas, entonces podemos decir que Ie=Ic+Ib Ie=0,13ma+13ma Ie=13,13ma. Basados en el circuito anterior, plantearemos una tabla que nos permite visualizar las diferentes zonas de trabajo de un transistor y las respuestas del mismo en las distintas regiones. En la primera fila el transistor se encuentra en corte, en la segunda y tercera en zona activa y en las dos últimas se encuentra saturado

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EJERCICIO 5 Determinar IB , IC , VCEQ para la siguiente red.

25

260

5K

 

50 V

Solución: La aplicación de la ley de voltaje de Kirchhoff al circuito de entrada dará por resultado: -IBRB – VBE –IERE+ VCC = 0 Pero: IE = (β + 1) * IB VEE - VBE - (β + 1) * IBRE - IBRB = 0 IB = (VEE - VBE) / (RB + (β + 1) * IB) Sustituyendo valores: IB = (5V – 1.7 V) / (260KΩ + (25)*(5KΩ) IB = 8.57*10-3 µA IC = β * IB =50 * (8.57*10-9) = 0.2571 µA

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Ic max= Vcc / Rc = 40 volts / 2000 = 15 mA La aplicación de la ley de Kirchhoff al circuito de salida resultara: - VEE + IERE + VCE = 0 Pero: IE = (β + 1) * IB VCE = VEE - (β + 1) * IBRE VCE = 50V – (25) * (8.57*10 -9 ) * (5KΩ) = 49.99V

EJERCICIO 6

Para la red de la figura, determine: a) Zi b) Z0 d) Av e) Ai

a) Zi = RE || hib = 2.2 k∧ || 14.3 ∧ = 14.21 (vemos que Zi ≅ hib) b) Ω Ω

Ω

Ω

c)

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d) Ai ≅ hfb = -1

EJERCICIO 7

Determinar VC y VB para la siguiente red. Solución: La aplicación de la ley de voltaje de Kirchoff al circuito de entrada dará por resultado: IBRB + VBE – VCC = 0 IB = VCC - VBE / RB Sustituyendo valores: IB = 9V – 0.7 V / 100KΩ IB = 83 µA Para IC se realiza lo siguiente: IC = β * IB IC = 45 * (83 * 10-6) = 3.73 mA

La aplicación de la ley de Kirchoff al circuito de salida resultara: VC = RC * IC VC = (1.2 KΩ) (3.73mA) = 4.48V VB = IBRB VB = (83 * 10-6) (100 KΩ) = 8.3V

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EJERCICIO 8

Determinar VCEQ para la siguiente red.

La aplicación de la ley de Kirchhoff al circuito de entrada:

La aplicación de la ley de Kirchhoff al circuito de salida

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*

PROBLEMA 9 Para el siguiente circuito calcular Ib, Ie, Ic con su simulación.

R1=20k  R2=2K  Vcc=3v Vce=18v

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PROBLEMA 10 1ºMETODO LEYES DE KIRCHOFF 2º PROCEDIMIENTO UBICAR LAS MALLAS − −

DIRECCIONAR LAS CORRIENTES

−

APLICAR LAS LEYES DE KIRCHOFF

−

DESPEJAR

−

OBTENIDA LA CORRIENTE DE BASE VOLVEMOS A LA ECUACION DE KIRCHOFF ORIGINAL

−

DESPEJAMOS Vce

−

OBTENEMOS PUNTO Q

3ºANALISIS DEL CIRCUITO Del siguiente circuito calcular el punto Q de trabajo para que pueda amplificar.

10-.7/3K+30+1(150K)=1.99 A 30*1.9(

)=59.6 A

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-10-(59.6µA)(3K)-(61.6µA)(2K)=-10.3 La aplicación de la ley de voltaje de Kirchoff al circuito de entrada dará por resultado: IBR B + VBE – VCC = 0 IB = VCC - VBE / R B Sustituyendo valores: Para IC se realiza lo siguiente: La aplicación de la ley de Kirchoff al circuito de salida resultara: VC = R C * IC

4ºPOLARIZAR PUNTO DE OPERACIÓN

5º grafica (RECTA DE CARGA)

6º SIMULACIÓN

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CUESTIONARIO

1.- ¿Qué es un BJT? 2.- ¿Cuántas y cuáles son las terminales de este dispositivo? 3.- ¿Cuándo un BJT es del tipo PNP o NPN? 4.- Dibuja las diferentes configuraciones del BJT 5.- Menciona los tres tipos de polarización para el BJT 6.- ¿En que se utiliza la configuración de colector común y por qué? 7.- Dibuja el diagrama de configuración de colector común. 8.- ¿Cómo se debe polarizar un transistor para que trabaje en la zona activa? 9.- ¿Qué es la zona de saturación? 10.- ¿Qué es la zona de corte?

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CUESTIONARIO

1.- ¿Qué es un BJT? R= es un dispositivo electrónico semiconductor, construido a partir de 3 regiones dopadas y 2 junturas PN. 2.- ¿Cuántas y cuáles son las terminales de este dispositivo? R= Este dispositivo consta de 3 terminales: Emisor (E), Base (B) y Colector (C). 3.- ¿Cuándo un BJT es del tipo PNP o NPN? R= Si las dos zonas exteriores son del tipo N y la interior tipo P, el transistor será del tipo NPN. Si las dos zonas exteriores son del tipo P y la interior es del tipo N, el transistor será del tipo PNP. 4.- Dibuja las diferentes configuraciones del BJT R=

5.- Menciona los tres tipos de polarización para el BJT R= Polarización por Base, Polarización por Realimentación del Colector, Polarización por Divisor de Tensión. 6.- ¿En que se utiliza la configuración de colector común y por qué?

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R= Se utiliza sobre todo para propósitos de acoplamiento de impedancia, debido a que tiene una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, contrariamente a alas de las configuraciones de base común y de un emisor común 7.- Dibuja el diagrama de configuración de colector común. R= Configuración de colector común utilizado para propósitos de acoplamiento de impedancia

8.- ¿Cómo se debe polarizar un transistor para que trabaje en la zona activa? R= Para que un transistor funcione en la zona activa, se debe de polarizar la unión J1 directamente y la unión J2 inversamente.

9.- ¿Qué es la zona de saturación? R= El punto de saturación es el punto en que la recta de carga corta la zona de saturación de las curvas de salida. Como la tensión colector-emisor en saturación es muy pequeña, el punto de saturación es casi idéntico al extremo superior de la recta de carga. 10.- ¿Qué es la zona de corte? R= El punto de corte es el punto en el que la recta carga corta a la zona de corte de las curvas de salida. Como la corriente de colector en corte es muy pequeña, el punto de corte es casi idéntico al extremo inferior de la recta de carga.

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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

 Título: Principios de electrónica Autor: Malvino Albert Editorial: Mc Graw Hill Lugar de impresión: México Nº de edición: Quinta Capítulos: 24 Nº de páginas: 1048  Título: Electrónica transistorizada e integrada Autor: Milton S. Kiver Editorial: Marconbo Lugar de impresión: España Nº de edición primera Capítulos: 14 No de páginas: 650  Título: Circuitos electrónicos (análisis, simulación y diseño) Autor: Robert R. Malik Editorial: Prentice Hall Lugar de impresión: España Capítulos: 14 y 3apendices No de edición: primera No de páginas: 1123

 Título: Dispositivos Semiconductores Autor: Jasprin Singh Editorial: Mc Graw Hill Lugar de impresión: México Capítulos: 7 No de edición: primera No de páginas: 629  Título: Circuitos electrónicos aplicaciones Autor: Bernard Grob Editorial: Mc Graw Hill Lugar de impresión: México Capítulos: 18 No de edición: primera No de páginas: 358

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REFERENCIAS ELECTRÓNICAS http://www.doctorproaudio.com/doc tor/temas/impedancia.htm (CONSULTADA EL 20/07/2011)

http://www.inele.ufro.cl/bmonteci/s emic/applets/pagina_tbj/pag_tbj.ht m (CONSULTADA EL 20/07/2011)

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