LICEO INDUSTRIAL A-20ESPECIALIADAD DE ELECTRONICAPROFESOR SR.AVELINO MELGAREJO AGURTO

Guía N ° 15, para Terceros Medios.Transistores

Módulo 4: Medición y análisis de componentes y Circuitos Electrónicos.Unidad : TRANSISTORES.Sub – Unidad: Transistores bipolares; Transistor en conmutación.

Objetivos específicos: Introducir al alumno al comportamiento y

característica de los transistores bipolares. Observan estructura y simbología del

transistor bipolar. Observan funcionamiento y curva

característica del transistor

Indicadores de evaluación: Capacidad de trabajo en grupo. Desarrollo de actividades. Capacidad de auto aprendizaje. Habilidad en la construcción de curvas

características.

◊◊◊ I.- Actividades iniciales: 1.- Qué entiende por:

- Transistor Bipolar

TerminalCurva característica

Símbolo

◊ II.- Actividad de desarrollo.- Lea atentamente el siguiente texto y siga las instrucciones del profesor.

Transistores.-Los transistores presentan una gran importancia en la electrónica de potencia, sobre todo para mando y regulación.Estructura del transistor bipolar.- En los transistores bipolares (fig.1) existen dos tipos de portadores de carga, los electrones y los huecos.Distinguimos dos tipos de transistores, los PNP y los NPN, según cual sea el orden de sucesión de las zonas.

Fig. 1.- Estructura, circuitos equivalentes con diodos y símbolos de transistores bipolares. a) Transistor PNP b) Transistor NPN

Los transistores NPN son los más empleados. En un transistor existen dos uniones pn. La zona central del transistor, la base, tiene un espesor de algunas micras, hecho fundamental para el funcionamiento del transistor y motivo por el cual no puede construirse un transistor uniendo

simplemente dos diodos.

Funcionamiento y curvas características del transistor bipolar.- La figura 2a nos muestra cómo deben aplicarse teóricamente las tensiones

necesarias para el funcionamiento del transistor. No obstante, en la practica se emplea el circuito indicado en la figura 2b, aunque esto no modifica el funcionamiento del transistor. La figura

2 nos muestra además que la unión pn entre base y emisor se polariza en sentido directo y la unión np entre base y colector, en sentido inverso.La tensión entre colector y base Vbc debe ser considerablemente mayor que la tensión entre base y emisor Vbe.

Figura 2: Tensiones en un transistor.

Experimento 1: Funcionamiento del transistor bipolar.Vamos a explicar el funcionamiento del transistor con ayuda del experimento 1.El experimento nos muestra que:Cuando Vbe aumenta por encima de 0.5 V circulan una corriente de base y una de colector. La intensidad de la corriente de colector depende de Vbe y de Ib, aumentando cuando éstas aumentan. La intensidad de colector Ic es mucho mayor que la base Ib.

Explicaremos a continuación los resultados del experimento.- El circuito base-emisor de un transistor presenta como ya sabemos una unión pn. Si la tensión aplicada en sentido directo Vbe es mayor que la tensión de difusión circulara una corriente de electrones del emisor a al base del transistor npn. El colector del transistor, cargado positivamente a causa de al tensión Vce, atraerá a la mayor parte de los electrones que se encuentren en la delgada zona de la base arrastrándolos a través de la unión pn entre base y colector. Una pequeña parte de la corriente de emisor circulara a través de la base hacia la fuente de tensión de base, dando lugar a la débil corriente de base. La figura 3 nos aclara estos hechos.

Fig. 3.- Corrientes en el transistor npn.

Figura 4.- Característica de entrada del transistor BD 130

La relación existente entre Vbc e Ib, que obtuvimos en el experimento 1 se suele representar gráficamente dando lugar a la llamada característica de entrada del transistor.

La figura 4 nos muestra la característica de entrada del transistor BD 130, de la que podemos deducir cual es la intensidad de la corriente de base que circula para determinado valor de Vbe.

La figura 5 nos indica gráficamente la relación existente entre Ic e Ib. Esta curva se llama curva de mando por corriente.

Figura 5. Característica de mando por corriente en el transistor BD 130.

El cociente entre la intensidad de la corriente de colector y la intensidad de base se denomina factor de amplificación de intensidad (ganancia estática de intensidad) B.

Puede calcularse fácilmente a partir de la curva característica de mando por corriente.

De los resultados del experimento y de las curvas deducidas de ellos queda claro que la intensidad de colector depende de Vbe y de Ib.La intensidad de colector puede gobernarse mediante Vbe y mediante Ib.Sin embargo, como la corriente de base solo empieza a circular cuando existe la correspondiente tensión base-emisor Vbe, deberá aportarse una potencia de mando = Vbe ∙ Ibe para gobernar la corriente de colector. Pero, como esta potencia es muy pequeña, podrá despreciarse en la mayoría de los casos.

Figura 6. Característica de salida del transistor DB 130.

Figura 7. Circuito para obtener la característica de salida.

Para el diseño de un circuito es de suma importancia conocer las características de salida de un transistor (fig 6).Estas curvas nos describen la relación existente entre Vce e Ic para diferentes valores de Ib o de Vbe. La figura 7 nos muestra el circuito de medida para obtener las características de salida.

Hasta ahora solo nos hemos ocupado del comportamiento y de las características de un transistor npn. Las consideraciones anteriores son también aplicables a los transistores npn, sin más que considerar que ahora las corrientes están constituidas por huecos.

Para simplificar el cálculo de los circuitos de transistores se determinó arbitrariamente el sentido de las corrientes de modo que todas circulen hacia el interior del transistor. Las corrientes que circulen en sentido contrario al definido se caracterizarán con un signo negativo de su símbolo o de su valor numérico (fig 8)

Figura 8. Sentidos de las corrientes en los transistores

Valores límites de los transistores.- Al utilizar los transistores no deben sobrepasarse determinados valores limites de tensión, intensidad y potencia.Estos valores suelen estar indicados en las hojas de datos de los fabricantes. Suelen indicarse los valores limites para la tensión base-emisor, para la tensión colector-base y para la tensión colector-emisor. También suelen indicarse las máximas intensidades permisibles de las corrientes de base y de colector.

Figura 9.- Zona de trabajo del transistor BD 130Durante su funcionamiento los transistores no deben calentarse excesivamente. El calentamiento es debido a la potencia eléctrica transformada en calor en el transistor, o sea, a sus perdidas totales de potencia. Ptot., que se calculan con la formula

Ptot = Vce ∙ Ic + Vbe ∙ Ib

Para evitar un calentamiento excesivo del transistor no debe sobrepasarse la máxima potencia de pérdidas indicada por el fabricante en sus hojas de datos (fig 9).

Obtención de la tensión de polarización de base y determinación del punto de trabajo.- De la figura 2 dedujimos que para el funcionamiento del transistor son precisas dos tensiones Vbe y Vce. Sin embargo, para alimentar el transistor basta con una única fuente de tensión. La tensión base-emisor Vbe, que también se llama tensión de polarización de base, se obtiene con ayuda de un divisor de tensión o de resistor en serie. La figura 10 nos muestra los circuitos para ambos métodos junto con las

Correspondientes fórmulas para el cálculo de la resistencia.

Fig. 10.- Obtención de la tensión de polarización de base.a) Mediante divisor de tensión.b) Mediante resistor en serie.

Al elegir la tensión de polarización de base quedan también la corriente Ibe y el punto de trabajo del circuito base-emisor, o sea, el punto de trabajo del circuito de entrada.

La figura 11 nos muestra las características más importantes del transistor BD 130. Hemos trazado el punto da trabajo del circuito de entrada para una polarización de base Vbe = 1,25V.

Figura 11. Puntos de trabajo del transistor.Los transistores suelen funcionar con un resistor de trabajo Ra conectado en serie en el circuito colector. Por consiguiente, podremos trazar sobre las características de salida la correspondiente recta de trabajo para obtener el punto de trabajo del circuito de salida. La construcción de la recta de trabajo se efectúa de modo análogo a como lo hicimos con los diodos rectificadores. También podemos ver en la figura 11 la obtención exacta del circuito de salida así como la distribución en el transistor (Vce) y en la resistencia de trabajo (Vra).Cuando varíe Vbe también variaran los puntos de trabajo de los circuitos de entrada y salida.

Transistor como conmutador.- Hemos ya puesto de manifiesto que la corriente de colector de un transistor puede gobernarse con la ayuda de la tensión base-emisor. Por lo tanto, también puede utilizarse un transistor como conmutador. Para ello, solamente cuando deba circular una corriente de colector se aplicara al transistor una tensión base-emisor en sentido directo. La carga se conectara en el círculo de colector.En las figuras 12 a y b podemos ver un circuito de este tipo en los estados ‘on’ y ‘off’. Por ejemplo, si sustituimos el interruptor mecánico auxiliar y R1 de la figura 12 por un foto resistor, el transistor conmutará dependiendo de la iluminación. Se obtiene así un conmutador sensible a la luz. De modo análogo es también posible la fabricación de conmutadores sencillos dependientes del campo magnético, de la presión o de la temperatura.Figura 12: Transistor como conmutador a) Estado ‘off’; b) Estado ‘on’; c) Posición de los puntos de trabajo sobre las características de salida.Actividad.- Ejercicios sobre transistores y transistor como conmutador.

1. Describir la estructura de un transistor npn.2. ¿Qué espesor tiene la base de un transistor en comparación con las

restantes capas?3. ¿Como debe conectarse un transistor para que circule un corriente de

colector?4. ¿Cómo puede administrarse la corriente de colector de un transistor?5. ¿Cómo se llama el cociente entre Ic e Ib?6. Describir los dos métodos de obtención de al tensión de polarización de

base.7. En un circuito de transistor la tensión de polarización de base debe ser

Vbe = 0.75V y además Ib = 100µA. La tensión de alimentación del circuito es Vb = 9V. *Calcular los valores de las resistencias del divisor de tensión de base (ver Fig. 10a).

8. ¿Cuáles son las magnitudes de un transistor para las que se indican valores máximos?

9. Trazar el esquema del circuito y explicar el funcionamiento de un conmutador basado en un transistor.

10. ¿Cuáles son los portadores en un transistor bipolar? (Nómbrelos)11. Según la guía que tipo de Transistor es el más utilizado.12. ¿Qué se debe cumplir en la polarización de un transistor al Vbe con

respecto al Vbc?13. ¿Qué valores no se deben sobrepasar según los valores limites de los

transistores?14. ¿A qué se debe el calentamiento en los transistores?, ¿Cómo se calcula?

y ¿Cómo se podría evitar el calentamiento.

◊ III.- Actividades finales .- Realizar experiencia 1 resuelta en la guía, determinando el procedimiento adecuado para conseguir óptimos resultados incluyendo un informe hecho en su cuaderno con una tabla correspondiendo a los datos obtenidos de las mediciones realizadas en la experiencia a demás de su propia conclusión al termino de la experiencia. Recuerde que en esta actividad deberá determinar los materiales y herramientas que utilizara para dicha experiencia de laboratorio. *El grupo de trabajo no podrá exceder de 4 integrantes.*Experiencia será evaluada con interrogación oral grupal 50 % y presentación del trabajo realizado 50%*.

Actividad n º 3.- Según la experiencia n º 1 “Contesta las siguientes preguntas”1. ¿Cuándo va a circular corriente de base (Ib) y de colector (Ic) en un Transistor? 2. La Ic con respecto a la Ib será Mayor o Menor. (Explique)3. ¿Qué nos indica la curva característica de entrada de un transistor?4. ¿Qué nos indica la curva de mando por corriente de un transistor?5. ¿A qué se llama ganancia estática de intensidad? ¿Cómo se puede calcular?6. ¿De qué depende la Ic?7. ¿Qué indica el signo negativo en una corriente?