Configuracion Polarizacion de Emisor

 

4.4

CONFI CO NFIGUR GURA ACI CIÓN ÓN DE DE POL POLA ARIZ RIZA ACI CIÓN ÓN DE EMI EMISO SORR

●

La red de polarización de cd de la figura 4.17 contiene un resistor emisor para mejorar la estabilidad del nivel en relación con la de la configuración de polarización fija. Demostraremos la estabilidad mejorada por medio de un ejemplo numérico más adelante en esta sección. El análisis lo realizaremos examinando primero la malla base-emisor y luego utilizando los resultados para investigar la malla colector-emisor. El equivalente de cd de la figura 4.17 aparece en la figura 4.18 con la fuente separada para crear una sección de entrada y salida.

CONFIGURACIÓN DE POLARIZACIÓN DE EMISOR V CC 

171

V CC   RC 

 R B

 R E 

FIG. 4.18

 Equivalente de cd de la figura 4.17.

FIG. 4.17

Circuito de polarización de un BJT  con resistor de emisor.

Malla base-emisor La malla base-emisor de la red de la figura 4.18 se volvió a dibujar como se muestra en la figura 4.19. Al escribir la ley de voltajes de Kirchhoff alrededor de la malla indicada en el sentido de las manecillas del reloj obtenemos la siguiente ecuación: + V CC   -  I   B R B   -

V  BE   -  I  E  R E   = 0

(4.15)

Recuerde que en el capítulo 3

FIG. 4.19

 Malla base-emisor. base-emisor.

 I  E   =   1 b   + 12 I  B

(4.16)

Sustituyendo I  E  en la ecuación (4.15) resulta

V CC   -  I  B R B   - V  BE   -   1 b   +  I 2 I  B R E   = 0 Entonces, agrupando los términos términos resulta lo siguiente: siguiente: - I   B1 R B   +   1 b   +

12 R E 2   + V CC   - V  BE   = 0

Al multiplicar por 1 - 12, tenemos

con

(B + 1) R E

 I  B1 R B   +   1 b   + 12 R E 2   - V CC   + V  BE   = 0  I  B1 R B   +   1 b   + 12 R E 2   = V CC   - V  BE 

y resolviendo para I  B da

FIG. 4.20

 I  B   =

V CC   - V  BE   R B   +   1 b   + 12 R E 

(4.17)

 Red derivada a partir de la ecuación (4.17).

Observe que la única diferencia entre esta ecuación para I  B y la que se obtuvo para la configuración de polarización fija es el término 1 b   + 12 R E . Hay un resultado interesante que se puede derivar de la ecuación (4.17) si ésta se utiliza para trazar una red en serie que produzca la misma ecuación. Tal es el caso de la red de la figura 4.20. Al resolver la corriente I  B se obtiene la misma ecuación que antes. Observe que aparte del voltaje de base a emisor V  BE , el resisto resistorr R E  se refleja de nuevo en el circuito de entrada multiplicado por un factor 1 b   + 12. En otras palabras, el resistor emisor emisor,, el cual forma parte de la malla colector-emisor, “aparece como” 1 b   + 12 R E  en la malla base-emisor. Como b por lo general es de o más,por el resistor emisorpara aparece coniguración un valor de mucho más grande En 50 general, consiguiente, la configuración conf la figura 4.21, en el circuito de la base.

 Ri   =   1 b   + 12 R E 

(4.18)

FIG. 4.21

 Nivel de impedancia reflejado de R E .

 

172

POLARIZACIÓN DE CD DE LOS BJT

La ecuación (4.18) demostrará demostrará su utilidad en el análisis siguiente. De hecho, permite recordar con facilidad la ecuación (4.17). Por la ley de Ohm sabemos que la corriente a través de un sistema es el voltaje dividido entre la resistencia del circuito. En el circuito base-emisor el voltaje neto es V CC  V  BE . Los niveles de resistencia son R B contra R E  reflejados por 1 b   + 12. El resultado es la ecuación (4.17). 

Malla colector-em colector-emisor isor La malla colector-emisor se dibujó de nuevo en la figura 4.22. Al escribir la ley de voltajes de Kirchhoff para la malla indicada en el sentido sentido de las manecillas del reloj, obtenemos + I   R E   +  E 

V CE   +  I C  RC   - V CC   = 0

Sustituyendo I  E    I    C  y agrupando los términos da

V CE   - V CC   +  I C 1 RC   +  R E 2   = 0  

V CE   = V CC     -  I C 1 RC   +  R E 2

y

 

(4.19)

El voltaje de subíndice único V  E  es el voltaje del emisor a tierra y está determinado por

V  E   =  I  E  R E  FIG. 4.22

(4.20)

en tanto que el voltaje del colector a tierra se determina a partir de

 Malla colector-emisor. colector-emisor.

V CE   = V C   - V  E  y

V C   =  V CE   + V  E 

(4.21)

o

V C   =  V CC   -  I C  RC 

(4.22)

El voltaje en la base con respecto a tierra se determina partir de

o

V  B   = V CC   -  I  B R B

(4.23)

V  B   =  V  BE   + V  E 

(4.24)

EJEMPLO 4.4 Para la red de polarización de emisor de la figura figura 4.23, determine: a.  I  B. b.  I C . c. V CE . d. e. f. g.

V C . V  E . V  B. V  BC .

FIG. 4.23

Circuito de polarización estabilizada por emisor   para el ejemplo 4.4.

 

CONFIGURACIÓN DE POLARIZACIÓN DE EMISOR

Solución: 

 I    B   =

a. Ec Ec.. (4.1 (4.17) 7)::

 =

V CC   - V  BE   R B   +   1 b   + 12 R E 

19.3 V 481 k Æ

=

20 V   - 0.7 V 430 k Æ +   151211 k Æ 2

  =   40.1  M A

  C   =   b I  B b.  I    =   1502140.1 mA2    2.01 mA  VCE  V      = V CC   -  I C 1 RC   +  R E 2

c. Ec Ec.. (4.1 (4.19) 9)::

 

  = 20 V   -   12.01 mA212 k Æ + 1 k Æ 2   = 20 V   - 6.03 V   =  13.97 V  VC      = V CC   -  I C  RC  d. V    = 20 V   -   12.01 mA212 k Æ 2   = 20 V   - 4.02 V   =  15.98 V  V E      = V C   - V CE  e. V    = 15.98 V   - 13.97 V   =  2.01 V o

 V E  V      =  I  E  R E    I   R E    C    =   12.01 mA211 k Æ 2   =  2.01 V  =

 +

f.  V V  B  V  BE  V  E    = 0.7 V   + 2.01 V

  =  2.71 V  V BC      = V  B   - V C  g. V    = 2.71 V   - 15.98 V   =   13.27 V (polarización en inversa, inversa, como se requiere)

Estabilidad de polarización mejorada La adición de un resistor emisor a la polarización de cd del BJT mejora la estabilidad, es decir, las corrientes de polarización en cd y los voltajes permanecen próximos a los valores establecidos por el circuito cuando las condiciones externas, como la temperatura y la beta del transistor, cambian. Aunque en la sección 4.12 4.12 se da un análisis matemático, el ejemplo 4.5 permite comparar la mejora.

EJEMPLO 4.5 Prepare una tabla y compare las corrientes y voltajes de los circuitos de la figura 4.7 y la figura 4.23 con el valor dado de b 50 y con un valor nuevo de b los cambios de I C  y V CE  con el mismo incremento de b. 



100. Compare

Solución: 

de b



Utilizando los resultados calculados en el ejemplo 4.1 y luego repitiendo con un valor 100 se obtiene lo siguiente:

B

 

I  B  1 M A2

 

I C  1 mA2

 

V CE  1 V 2

50

47.08

2.35

6.83

100

47.08

4.71

1.64

Se ve que la corriente de colector BJT cambia en 100% debido al cambio de 100% del valor de b. El valor de I  B es el mismo y V CE  se redujo en 76%.

173

 

174

POLARIZACIÓN DE CD DE LOS BJT

Utilizando los resultados del ejemplo 4.4 y luego repitiendo para un valor de b lo siguiente: B 50 100

 

I  B  1 M A2

I C  1 mA2

 

40.1 36.3

 

2.01 3.63



100,, ten 100 tenemos emos

V CE  1 V 2

13.97 9.11

Ahora, el incremento de la corriente del colector BJT es de 81% debido al incremento del 100% en b. Observe que I  B se redujo, lo que ayuda a mantener el valor valor de I C , o por lo menos menos a reducir reducir el cambio total de  I C  debido al cambio de b. El cambio de V CE  se redujo en aproximadamente 35%. La red de la figura figura 4.23 es, por consiguiente, más estable que la de la figura figura 4.7 con el mismo cambio de b.

Nivel de saturación El nivel de saturación del colector o su corriente máxima en un diseño de polarización de emisor se determina con el mismo procedimiento aplicado a la configuración de polarización fija. Aplique un cortocircuito entre el colector y el emisor como se muestra en la figura 4.24 y calcule la corriente resultante del colector. Para la figura 4.24

 I C sat   =

V CC 

(4.25)

 RC   +  R E 

La adición del resistor del emisor reduce el nivel de saturación en el colector por debajo del obtenido, con una configuración de polarización fija con el mismo resistor del colector. colector.

EJEMPLO 4.6 Determine la corriente de saturación de la red del ejemplo 4.4. Solución:  FIG. 4.24

 Determinación de I C sat para el circuito de polarización estabilizado por emisor emisor..

 I    C sat   =

 =

V CC   RC   +  R E 

20 V 2 k Æ + 1 k Æ

 =

20 V 3 k Æ

  =   6.67 mA lo cual es aproximadamente tres veces el nivel de I C Q para el ejemplo 4.4.

Análisis por medio de la recta de carga El análisis por medio de la recta de carga de la red de polarización del emisor es ligeramente diferente del de la configuración de polarización fija. El nivel de I  B determinado por la ecuación (4.17) define el nivel de I  B en las características de la figura 4.25 (denotado I  BQ).

Punto Q

FIG. 4.25

 Recta de carga para la configuración de polarización de emisor.

 

CONFIGURACIÓN DE POLARIZACIÓN DE EMISOR

La ecuación de la malla colector-emisor que define la recta de carga es

V CE   = V CC   -  I C 1 RC   +  R E 2  

Al elegir I C 



0 mA tenemos

V CE   = V CC   ƒ  I   I C = 0 mA

(4.26)

como se obtuvo para la configuración de polarización fija. Al elegir V CE 

 I C   =

V CC   R   +  R



0 V obtenemos

`

(4.27)

V  = 0 V  E  CE 

C 

como se muestra en la figura 4.25. Los diferentes niveles de I  BQ, desde luego, mueven el punto Q hacia arriba o hacia abajo de la línea de carga.

EJEMPLO 4.7  I C  (mA)

V CC = 18 V

30  µ A 6

 RC 

25  µ A

2.2 k Ω 5

 R B

20  µ A vo

4

C 2

15  µ A

vi

3

C 1

10  µ A 2

 R E 

5 µA

1.1 k Ω

1

 I  B =

0

5

10

FIG. 4.26a FIG. 4.26b

 Red para el ejemplo 4.7.

 Ejemplo 4.7.

a. Trace la recta de carga para la red de la la figura 4.26a en las características del transistor transistor que aparece en la figura 4.26b. b. Para Para un un punt punto o Q en la intersección de la recta de carga con una corriente de base de 20 mA, determine los valores de I C Q y V CE Q. c. Deter Determine mine la beta beta de cd en el punto punto Q. d. Utilizando Utilizando la beta beta de la red determin determinada ada en la parte parte c, calcu calcule le el valor valor requerido requerido de R B y sugiera un posible valor estándar. Solución: 

a. Se requieren dos puntos en las características características para trazar trazar la recta de carga. En V CE 



En I C 



0 V: V:

 I    C   =

0 mA: V CE 



V CC   RC   +  R E  V CC 



=

18 V 2.2 k Æ + 1.1 k Æ

18 V

La recta de carga resultante aparece en la figura 4.27. b. Por las caracter característic ísticas as de la figura figura 4.27 obtenemo obtenemoss

 VCE  V    Q



 7.5 V, I C Q



 3.3 mA

 =

18 V 3.3 k Æ

 =

5.45 mA

15

20

0  µ A

V CE 

175

 

176

POLARIZACIÓN DE CD DE LOS BJT

 I C  (mA)

30 µ 30  µA A 6 25 µ 25  µA A

5.45 mA 5

20 µ 20  µA A 4  I C   = 3.3 mA Q

Punto

Q

15 µ 15  µA A

3 10 µ 10  µA A 2 5 µA 1

 I  B = 0  µ  µA A

0

5

10

15

20 V CC = 18 V

V CE   = 7.5 V Q

FIG. 4.27

 Ejemplo 4.7.

c. La beta beta de cd resu resulta ltante nte es: es:

b =

 I C Q  I  BQ

=

3.3 mA 15 mA

=   220

d. Aplic Aplicando ando la ecuaci ecuación ón 4.17: V CC  18 V   - 0.7 V CC   - V   BE   I    B   = =  R B   +   1 b   + 12 R E   R B   +   1220   + 1211.1 k Æ 2

 15 mA   = y 15

17.3 V  R B   +   12212(1.1 k Æ )

=

17.3 V  R B   + 243.1 k Æ

 R B)   + (15 mA) (243.1 k Æ )   = 17.3 V de modo que (15 mA) ( R  R B)   = 17.3 V   - 3.65 V   = 13.65 V y (15 mA) ( R y el resultado es  R   + 13.65 V =  910 k Æ  B 15 mA

V 

CE