T2 - Teoría El transistor bipolar
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En el primer punto se describe el concepto de transistor como elemento
básico con tres terminales que permite regular la corriente entre dos de
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básico con tres terminales que permite regular la corriente entre dos de
ellos mediante el control de la corriente inyectada en el tercer terminal. Se
definen los conceptos formales y de nomenclatura.
En el punto 2 se pasa a describir los diferentes modos de trabajo y zonas
de funcionamiento del dispositivo, analizando las características y
principales diferencias de cada uno de ellos. Se introducen las curvas de
funcionamiento y el significado de las mismas así como el análisis de la
información que nos dan acerca del dispositivo.
En el tercer punto se define el concepto fundamental de la Polarización,
su significado y los circuitos básicos que permiten un adecuado
funcionamiento del transistor. Se analiza el punto de trabajo y muy
especialmente se describe la recta de carga estática y su utilidad en el
análisis de circuitos básicos de transistores.
Finalmente, en el punto cuarto se define el concepto de conmutación y su
utilidad como pilar básico para la tecnología de los circuitos digitales.
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El transistor es un elemento básico y fundamental, imprescindible para el
desarrollo histórico de la tecnología de los sistemas digitales. Sin él, la
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desarrollo histórico de la tecnología de los sistemas digitales. Sin él, la
tecnología digital no se podría haber desarrollado tal como hoy la
conocemos.
Su aparición en torno a mediados del siglo XX supuso un importantísimo
avance en la tecnología de los computadores, posibilitando la aparición
del estado sólido y la miniaturización de los hasta entonces enormes
computadores desarrollados con válvulas de vacío. Se trata por tanto de
un hito histórico en el actual desarrollo de la tecnología.
Es un dispositivo semiconductor que permite regular y controlar el flujo de
corriente entre dos de sus tres terminales mediante la inyección de
corriente en el tercer terminal. Aunque su nombre inicial fue (y sigue
siendo) el de transistor, en general nos referiremos a él como transistor
bipolar de unión (BJT), para distinguirlo de su descendiente, el transistor
MOS, que es quien domina actualmente la tecnología digital.
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Funcionalidad:
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La rama colector-emisor conducirá sólo si existe circulación de corriente
por la unión base-emisor.
La base actúa como terminal de control y permite regular la cantidad de
corriente que circula por la rama colector-emisor.
La forma de fabricación hace que las uniones de Base-Colector y de
Base-Emisor estén muy próximas físicamente, de modo que lo que ocurre
en la unión B-E influye grandemente en la otra unión B-C, apareciendo el
efecto transistor, que lo distingue de la simple unión de dos diodos en
oposición.
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El transistor NPN es el más habitual en los circuitos, aunque también se
usan los PNP en algunos casos. Para intentar simplificar su estudio,
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usan los PNP en algunos casos. Para intentar simplificar su estudio,
siempre que sea posible, nos referiremos por defecto al NPN.
En cualquier caso, hay que recordar que las corrientes se definen
siempre en su sentido real para los transistores, mientras que las
tensiones de las uniones en los PNP serán de signo opuesto a las
equivalentes en los NPN.
Así, la tensión base-emisor de un NPN en activa será positiva, al igual
que la tensión colector-emisor, mientras que en un PNP en activa, las dos
tensiones serán negativas.
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El transistor en zona activa se comporta como una fuente de corriente ICque depende de la I .
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que depende de la IB.
La ganancia de corriente β tiene valores típicos entre 30 y 600
(supondremos que es constante para un determinado transistor).
Obsérvese que es en esta zona cuando existe relación lineal entre las
corrientes de base y de Colector, por lo que es la zona de trabajo
preferida para los circuitos lineales y amplificadores de señal en general.
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Si VBB>0.7V, el diodo B-E estará en directo (ON).
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Por tanto:
VB=VBE=0.7V
IB=(VBB-0.7V)/RB
Si está en zona activa, se cumplirá que:
IC=βxIB , y también:
VCE=VC=VCC-IC . RC (importante)
Sustituyendo, obtendremos:
Vc=Vcc- (VBB-0.7V). βxRc/RB
Si la tensión VBB fuera variable y VCC constante, esta fórmula nos indica
que la tensión en VC depende linealmente de la tensión VBB multiplicada
por un coeficiente constante, en función de β, de RC y de RB y que en
general suele tener un valor grande (obsérvese el signo negativo).
Por tanto, pequeñas variaciones de VBB producirán grandes variaciones
en VC (aunque de signo contrario). En esto se basa el efecto de la
amplificación, que es una de las principales aplicaciones del transistor
en esta zona de trabajo (zona activa ó zona lineal).
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Zona de CORTE
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Zona de CORTE
Si en nuestro anterior ejemplo hacemos que VBB<0.7V, la unión base-emisor no podrá conducir, y la IB será cero. A esta situación se la denomina CORTE.
En esta situación, todas las corrientes del transistor serán nulas. El modelo del transistor en esta zona es un circuito abierto en todos sus terminales.
No hay conducción de corriente en ningún terminal.
A pesar de su aparente inutilidad, obsérvese que la tensión de salida VC
es fija y se mantiene constante e igual a VCC, y el consumo de corriente
del circuito es cero. Más adelante veremos que son dos propiedades muy
interesantes para la electrónica digital.
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Zona de SATURACIÓN
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Si en el circuito de nuestro ejemplo fuera aumentando VBB, la IB
iría creciendo, así como la IC. Según nos indicaba la anterior ecuación VCE=VC=VCC-RC.IC , la tensión VCE irá disminuyendo conforme aumentamos IB. En el momento que se alcance una tensión: VCE=VCESAT=0.2V, ya no puede aumentar más la corriente IC, por lo que se pierde la linealidad entre IB e IC, y el transistor entra en SATURACIÓN. La saturación se produce porque el circuito de salida (VCC y RC) impide el paso de más corriente, aunque la IB aumente por encima del valor necesario para llevarlo a la saturación (IBminSAT).
ICSAT=(VCC-0.2V)/RC
IBMINSAT=ICSAT/ βIBMINSAT =(VCC-0.2V)/RC)/ β
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En este estado de saturación es interesante fijarnos en que a pesar de
que la corriente de colector puede ser bastante grande, la tensión que
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que la corriente de colector puede ser bastante grande, la tensión que
soporta el transistor es sus bornes es de tan sólo 0.2V, lo que hace que la
potencia disipada (Producto VCE x IC) es bastante pequeña. También este
es un dato interesante para los circuitos digitales, ya que supone que los
circuitos en saturación tienen siempre un consumo más reducido que en
la zona lineal, aunque no tanto como en el corte, en que es cero.
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Esta zona de funcionamiento no es utilizable en la
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Esta zona de funcionamiento no es utilizable en la práctica como amplificador, ya que el transistor no es simétrico funcionalmente, y no se produce el efecto transistor. No existe ganancia de corriente. En este caso, el transistor se comporta como si fueran dos uniones P-N que comparten la base como terminal común, sin interacción entre ellas.
Se utiliza casi exclusivamente en algunas aplicaciones digitales (puertas TTL).
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NOTA: Las tensiones de los terminales del transistor deben ser compatibles con los límites de la(s) tensión(es) de
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ser compatibles con los límites de la(s) tensión(es) de alimentación del circuito. No es razonable que una tensión en el circuito supere la alimentación ni por encima ni por debajo de los dos límites de la misma.
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Cualquiera que sea el estado del transistor, le corresponde un punto de
trabajo en esta gráfica (salvo el caso de activa inversa). Como vemos, las
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trabajo en esta gráfica (salvo el caso de activa inversa). Como vemos, las
zonas próximas a las abscisas y a las ordenadas corresponden a las
zonas de saturación y corte, respectivamente, mientras que la zona
central corresponde a la zona activa ó lineal. Como puede observarse, se
trata de una familia de curvas muy paralelas correspondiendo cada una
de ellas a una corriente de base diferente.
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La union Base-Emisor se comporta como un diodo de silicio normal, por lo
que esta curva caracteristica es idéntica a la de los diodos, con un valor
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que esta curva caracteristica es idéntica a la de los diodos, con un valor
de tension umbral de 0.7V, típicamente.
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El punto de trabajo (Q) de un Transistor es el conjunto de
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El punto de trabajo (Q) de un Transistor es el conjunto de
tensiones y corrientes continuas que soporta en un circuito
determinado. Fundamentalmente, nos referimos a:
Q( ICQ , VCEQ).
Al transistor se le añaden un conjunto de resistencias y
generadores de tensión para conseguir situarlo en un
determinado punto de trabajo (Circuito de polarización).
En el punto de trabajo, deben satisfacerse simultáneamente:
Las curvas características del transistor
(Limitaciones especificadas por el dispositivo)
Las ecuaciones del circuito de polarización exterior (Recta de carga del circuito de salida)
(Limitaciones impuestas por el circuito externo)
El cálculo de este punto de trabajo puede hacerse numéricamente,
utilizando las ecuaciones del modelo del transistor y de la recta de carga,
ó bien gráficamente, por intersección de la recta de carga con la curva
característica del transistor correspondiente a la corriente de base.
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Del circuito de base obtendremos:
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IB=(VBB-0.7)/RB ;
IB= (2.7-0.7)/100k = 20µA;
Ahora, plantearemos la hipótesis de que el transistor se encuentre en zona
activa (posteriormente se ha de comprobar la validez de la hipótesis)
Ahora, suponiendo zona activa, tendremos:
IC=βxIB ;
IC= 500 x 0.02mA = 10mA ;
Finalmente, del circuito de colector se obtendrá:
VCE=VCC-RC x IC= 8V-0.4k x 10mA = 4V
Luego el punto de trabajo será:
ICQ= 10mA; VCEQ=4V
Como comprobación final, hemos de verificar que se encuentra en la zona
activa, lo que resulta evidente, ya que hemos obtenido que VCE= 4V > 0.2V (VCESAT)
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Gráficamente, se puede resolver empleando la ecuación ya
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Gráficamente, se puede resolver empleando la ecuación ya conocida del circuito de colector:
VCE=VCC-RC x IC
Esta ecuación muestra la relación lineal entre VCE e IC y solo depende del circuito externo. Se le denomina Recta de Carga.
El punto de trabajo será el cruce de la recta de carga con la curva característica del transistor, correspondiente a IB=20µA
Para dibujar la la recta de carga debe tenerse en cuenta que cortará a los ejes en dos puntos:
La tensión VCC (cuando IC=0mA)
Y la corriente de corto-circuito ICMAX=VCC/RC (correspondiente a VCE=0V).
(en nuestro ejemplo, son 8V y 20mA, respectivamente)
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Un transistor se dice que trabaja en CONMUTACIÓN cuando se encuentra exclusivamente en el corte ó en la saturación, que
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encuentra exclusivamente en el corte ó en la saturación, que son dos estados claramente diferenciados; pasando de un estado al otro lo más rápidamente posible.
Con ello, se evita trabajar en la zona lineal, reduciendo el consumo de potencia, ya que en el corte y en la saturación la potencia disipada es mínima.
En este modo de trabajo se basan los circuitos digitales.
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Tomemos de nuevo nuestro circuito de ejemplo, cambiando la alimentación V a 5V y los valores de las resistencias tal como se muestran.
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VCC a 5V y los valores de las resistencias tal como se muestran.
Si suponemos que la entrada VBB es una tensión que conmuta entre 0V y 5V, podemos comprobar fácilmente que la salida VC también conmutará entre 5V(Corte) y 0.2V (SAT).
De hecho, cualquier tensión de entrada VBB que esté por debajo de 0.7V hará que el transistor esté cortado, por lo que la tensión de salida será de 5V.
Y cualquier tensión VBB de entrada que esté por encima de 2.62V producirá la saturación del transistor, por lo que VC=0.2V.
Comprobación de la saturación:
Para que el trt. esté en SAT. Será necesaria una IBminSAT que valdrá:
IBminSAT = ((VCC-VCESAT)/RC)/β = (5-0.2)/1k)/500 = 9.6µA
Por tanto, la tensión VBBminSAT será:
VBBminSAT = 0.7V+RB. IBminSAT = 0.7V+200k x 9.6µA = 2.62V
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En la figura se puede apreciar la salida cuando la entrada es un tren de pulsos de 0V a 5V.
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tren de pulsos de 0V a 5V.
Por tanto, este circuito funcionará como una puerta lógica inversora elemental.
Si a su vez, tomáramos la salida de este circuito para alimentar otro idéntico sería totalmente compatible, por lo que acabamos de descubrir una posible familia lógica.
