Transistores Bipolares.

INTRODUCCIÓN.

En esta ocasión no voy a abordar el tema del transistor desde el punto de vista practico, puesto que, no se trata de fabricar uno de estos dispositivos que tanto contribuye a la exitosa tecnología de la electrónica. Este trabajo está dirigido a conocer las formas de conectar un transistor para que realice una función concreta. Son muchos los tratados sobre transistores que usted puede encontrar el la red, todos muy bien elaborados y siguen una línea de estudio academica, sin duda. Este no es el caso, considero que ésta es otra forma de aprender a utilizar un transistor para una necesidad específica.

En este artículo, voy a abordar el transistor bipolar desde la perspectiva de uno de sus estados de trabajo en modo conmutador, con ejemplos de uso, aunque sin perder de vista que es un amplificador. Pienso que, ésta es otra forma de entender y aprender, en definitiva, a tratar un tema sobre el estudio de los transistores, para quien le pueda interesar, eso es todo. Como veremos, en función de las tensiones que se apliquen a cada uno de los tres terminales del transistor bipolar, conseguiremos que éste entre en una región u otra de funcionamiento.

EL TRANSISTOR BIPOLAR.

Los transistores básicamente amplifican corriente, por ejemplo, pueden ser utilizados para amplificar la pequeña corriente de salida de un circuito lógico de modo que pueda manejar una lámpara, relé u otro dispositivo de alta corriente. Un transistor también puede ser utilizado como un interruptor (ya sea con corriente máxima, o totalmente apagado sin ninguna corriente) y como un amplificador (siempre o parcialmente encendido).

A todo esto diremos que hay dos tipos de transistores bipolares estándar NPN y PNP, con sus diferentes símbolos de circuito. Las letras (N-P) se refieren a las capas de material semiconductor que se utiliza para crear el transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN, porque este es el tipo más fácil de hacer a partir del silicio. Por cierto, los primeros transistores utilizaban el Germanio en lugar del Silicio, éste es más abundante en la naturaleza y lo hace más económico.

Estos son los símbolos para representarlos que, pueden estar o no, encerrados dentro de círculos. Los transistores disponen de unos contactos o hilos conductores llamados patillas y éstas se etiquetan como Base (B), Colector (C) y Emisor (E). Estas etiquetas se refieren a nombres identificadores para describir el comportamiento interno de un transistor, y nos son de mucha ayuda para su estudio. Como veremos, por estas patillas circularán corrientes dependiendo lo que nos interese que haga el transistor en cada circuito.

 corrientes y tensiones1 Fig. 1

CONEXIONADO.

Como se ha dicho, los transistores tienen tres cables o terminales, los cuales permiten conectarlos en una forma correcta. Debemos tener especial cuidado porque un transistor conectado incorrectamente llevará a dañarlo al instante de encender. Si usted tiene experiencia, la orientación del transistor estará clara desde el diagrama o esquema, de lo contrario tendrá que consultar el catálogo de un proveedor para identificar los terminales. Los transistores estándar están empaquetados en distintas cápsulas dependiendo del tipo y sobre todo de la potencia, en la imagen siguiente puede ver algunas de esas cápsulas.

encapsulados Fig. 2

La imagen de arriba, muestra las patillas para algunos de los tipos de cápsulas más comunes. Como indica la imagen, las patillas en los diagramas de transistor normalmente muestran la vista desde abajo con los cables hacia usted, salvo que se diga lo contrario. En los diagramas los terminales que se muestra en un esquema, normalmente no tiene un punto de vista real, se utilizan a modo de orientación para su comprensión.

Los transistores pueden ser dañados incluso por el excesivo calor al soldar, por lo que si usted no es un experto, es aconsejable utilizar unas pinzas de metal sujetando la patilla (cable) y usar un soldador de potencia reducida para evitar que se sobrecaliente durante la operación de soldar las patillas, le aconsejo que practique. Por cierto, los transistores y circuitos integrados son los últimos componentes a soldar en una placa (PCB).

testdiodos Fig. 3

Como he dicho, los transistores se pueden dañar por el calor al soldar, otro motivo más común es por el uso deficiente en un circuito. Si usted sospecha que un transistor puede estar dañado, tiene dos maneras de comprobarlo. Utilice un multímetro, una batería, una resistencia y un LED, para comprobar en cada par de terminales en ambos sentidos si hay conducción. También puede ver este viejo artículo que usa un método muy simple. Espero que lo tenga claro, en la imagen que sigue, se equipara el transistor con dos diodos, sólo para identificar las patillas:

1) Pares de terminales.

  • La unión base-emisor (B-E) debe de comportarse como un diodo y conducir en un solo sentido.
  • La unión base-colector (B-C) debe de comportarse como un diodo y conducir en un solo sentido.
  • La unión colector-emisor (C-E) no debe conducir en ningún sentido.

El diagrama muestra cómo se comportan las uniones de un transistor NPN. Los diodos en un transistor PNP están invertidos, pero sirven los mismos Fig. 3 Pero sirven los mismos procedimientos de prueba.

2) Circuito de prueba.

probador0 Fig. 4

El circuito de la imagen es fácil de construir. Unos pocos componentes, para probar el transistor que deseemos, la alimentación no es critica, desde 4’5V a 9V será suficiente, lo más importante es la resistencia de la base R2 de 10KΩ que se utiliza para no dañar el transistor bajo prueba. Si el transistor está bien, el diodo LED sólo se iluminará al presionar el pulsador. Para comprobar un transistor PNP se puede utilizar el mismo circuito, pero invertir la tensión de alimentación y del diodo LED.

Actualmente los multímetros digitales tienen una función de ‘prueba de diodos y transistores’, que proporciona una corriente de base conocida y mide la corriente de colector con el fin de mostrar la β o ganancia de corriente hFE del transistor.

 NOMENCLATURA DE LOS TRANSISTORES.

A efectos de unificar los datos que permiten conocer los parámetros de trabajo de los distintos tipos de semiconductores que se producen y los que ya existen, se ha ideado un sistema de codificación compuesto por letras y cifras, mediante los cuales es posible identificar los distintos semiconductores entre sí. Normalmente esta codificación consiste en dos letras seguidas de unas cifras. Mediante esta nomenclatura, y siguiendo un orden se pueden conocer los siguientes datos del semiconductor que se desea conocer:

codigostrFig. 5

·Códigos que comienzan con B (o A), por ejemplo, BC549, BC337. Según este código:

  • La B es para el silicio, A es para el Germanio (que rara vez se utiliza actualmente).
  • La segunda letra indica el tipo; por ejemplo C significa baja frecuencia potencia de audio.
  • D significa una alta potencia de frecuencia de audio.
  • F significa baja potencia de alta frecuencia.
  • El resto del código Nº de serie, identifica el transistor en particular.

No sigue una lógica para el sistema de numeración. A veces se añade una letra al final (por ejemplo, BC108C) para identificar una versión especial del tipo principal, por ejemplo una mayor ganancia de corriente o un caso diferente estilo. Si un proyecto especifica una versión de mayor ganancia (BC108C) debe ser utilizado, pero si se le da el código general (BC108) cualquier transistor con ese código es adecuado.

·Códigos que empiezan con TIP (MJ), por ejemplo TIP31A, MJ109.
TIP se refiere el Fabricante: Texas Instruments o MJ Motorola, transistor de potencia. La letra al  final identifica versiones con diferentes rangos de voltaje.

·Códigos que empiezan con 2N, por ejemplo 2N3053. 2SA/B/C.
El ‘2N’ identifica un transistor americano, el resto del código identifica el transistor particular. Sin  lógica evidente en numeración. El ‘2SA’, ‘2SB’, ‘2SC’, se trata de Toshiba.

Los proyectos especifican un transistor en particular, pero por lo general, se puede sustituir por un transistor equivalente que se tenga disponible, entre una amplia gama. Las propiedades más importantes a tener en cuenta son, la corriente máxima de colector IC y la ganancia de corriente hFE. Para facilitar la selección, la mayoría de transistores se agrupan en determinadas categorías ya sea por su uso típico o la potencia máxima.

Para tomar una decisión final, usted tendrá que consultar las tablas de datos técnicos que normalmente se muestran en los catálogos. Los cuales contienen una gran cantidad de información útil, aunque le pueden ser difíciles de entender si no está familiarizado con las abreviaturas utilizadas. Las siguientes tablas muestran las características técnicas más importantes para algunos transistores populares, en tablas similares de catálogos y libros de referencia, por lo general se muestran información adicional, pero esto es poco probable que sea útil a menos que tenga experiencia en su uso.

npn_transistorespnp_transistores
Fig. 6

 Estructura: Muestra el tipo de transistor NPN o PNP. Las polaridades de los dos tipos son diferentes, por lo que si usted está buscando un sustituto, ambos deben ser del mismo tipo.

Encapsulado: Hay unas columnas que muestran las potencias y cápsulas para algunos de los estilos de casos más comunes en la sección de arriba. Esta información también está disponible en los catálogos de los proveedores.

IC max.: Corriente máxima de colector.

VCE max.: Máxima tensión en la unión colector-emisor. Esta calificación puede pasar por alto en circuitos de baja tensión.

hFE: Esta es la ganancia de corriente (estrictamente la ganancia de corriente en CC). El valor mínimo garantizado se da debido a que el valor real varía de un transistor a otro – incluso para los del mismo tipo. Tengamos en cuenta que, la ganancia de corriente es sólo un número por lo que no tiene unidades.

La ganancia a menudo hace referencia a una corriente de colector IC particular, que es por lo general en el margen medio del del transistor, por ejemplo ‘100 @ 20 mA’ es la ganancia de por lo menos 100 a 20 mA. A veces se dan los valores mínimo y máximo. Dado que la ganancia es aproximadamente constante para diversas corrientes, pero varía de transistor a transistor este detalle sólo es realmente de interés para los expertos.

Ptot max.: Potencia total máxima que se puede desarrollar en el transistor, tenga en cuenta que se requiere un disipador de calor para alcanzar la máxima calificación. Esta clasificación es importante para los transistores que operan como amplificadores, el poder es más o menos IC × VCE. Para los transistores que operan como conmutadores de la corriente máxima del colector (IC máx.) Es más importante.

Categoría: Muestra el uso típico para el transistor, que es un buen punto de partida en la búsqueda de un sustituto. Algunos catálogos pueden tener tablas separadas para las diferentes categorías, así como, una columna de posibles equivalentes, por sus propiedades eléctricas similares que serán sustitutos adecuados en la mayoría de los circuitos. Sin embargo, pueden tener un encapsulado diferente por lo que, tendremos que tener cuidado al colocarlos en la placa de circuito.

LOS DISIPADORES DE CALOR EN TRANSISTORES.

Los transistores, debido a la corriente que fluye a través de ellos, generan lo que se conoce por calor residual, calor que dentro de ciertos niveles no debería ser perjudicial, no obstante, si usted encuentra que un transistor está demasiado caliente para tocarlo, sin duda necesita un disipador de calor. El disipador de calor ayuda a disipar (eliminar) el calor mediante la transferencia al aire circundante por convección. El disipador consiste en una pieza de metal (habitualmente aluminio) de forma y dimensiones extrañas que ofrecen una gran superficie de contacto con el aire y suele estar pintado o ionizado en negro.

heatsink Fig. 7

El índice de producción de calor residual se denomina a la potencia térmica, Pt. Por lo general, la corriente de base IB es demasiado pequeña para considerar que aporte mucho calor, por lo que la energía térmica, se determina por la corriente de colector IC y por la tensión VCE a través del transistor: Pt = IC × VCE

El calor, no es un problema si IC es pequeña o si el transistor se utiliza como un conmutador, porque cuando está totalmente (abierto) ‘ON’ la tensión VCE es casi cero. Sin embargo, los transistores de potencia utilizados en circuitos tales como, un amplificador de audio o un controlador de velocidad de motor, estará la mayor parte del tiempo en ‘ON’, y la tensión VCE puede ser de aproximadamente la mitad de la tensión de alimentación, ¡tenga cuidado!. Estos transistores de potencia, es casi seguro que necesitarán un disipador de calor para evitar que se sobrecaliente, en algunos casos, incluso necesitará la ayuda de un ventilador.

aisladorFig. 8 Aislador

Los transistores de potencia por lo general tienen orificios pasa tornillos para la fijación a los disipadores de calor, también están disponibles los disipadores de calor “clip-on”. Asegúrese de usar el tipo correcto para su transistor. Muchos transistores tienen cápsula metálicas que están conectadas a uno de sus conductores, por lo que, puede ser necesario aislar el disipador de calor del transistor. Los kits de aislamiento están disponibles con una hoja de mica y una funda de plástico para el tornillo. Se puede utilizar pasta conductora de calor, para mejorar el flujo de calor desde el transistor al disipador de calor, esto es especialmente importante si se utiliza un kit de aislamiento con pasta de silicona.

 CALIFICACIONES DEL DISIPADOR DE CALOR.

Aunque el tema de los disipadores de calor parezca que está fuera de lo que es el presente artículo, no es así, ya que los disipadores de calor tienen la misión de proteger a los transistores (al menos los de potencia) como lo es el cálculo de las corrientes y tensiones que pueden soportar. Por lo tanto, daremos un repaso a los disipadores de calor para saber como están clasificados por su resistencia térmica (Rth) en °C/W. Por ejemplo: un disipador de calor de 2 °C/W significa que (y por lo tanto, el componente unido a él), estará 2 °C más caliente que el aire circundante por cada 1W de calor que se esté disipando. Tengamos en cuenta que, una resistencia térmica menor, significa un mejor disipador de calor.

cargaFig. 9 Carga

Vea la figura 9, esta es la forma en la que usted resolverá la calificación requerida del disipador de calor:

  1. Calcule la energía térmica que se disipa, Pt = IC × VCE En caso de duda utilizar el valor probable más grande de IC y asumir que VCE es la mitad de la tensión de alimentación.
    Por ejemplo, si un transistor de potencia está pasando 1A y conectado a una alimentación de 12V, la potencia P es de aproximadamente 1 × ½ × 12 = 6W.
  2. Encuentre la temperatura máxima de funcionamiento (Tmáx) para el transistor si se puede, si no asumir Tmáx = 100 °C.
  3. Estime la temperatura ambiente máxima (aire circundante) (Tair). Si el disipador de calor va a ser fuera el caso Tair = 25 °C es razonable, pero si es interior será más alto (tal vez 40 °C) que permite todo a calentar en funcionamiento.
  4. Calcular la resistencia térmica máxima (Rth) para el disipador de calor usando: Rth = (Tmax – Tair)/P Con los valores del ejemplo anterior: Rth = (100-25)/6 = 12,5 °C/W.
  5. Elegir un disipador de calor con una resistencia térmica que es menor que el valor calculado anteriormente (recuerde valor más bajo significa una mejor disipación de calor!).
    Por ejemplo 5 °C/W sería una elección sensata para permitir un margen de seguridad. A 5 °C/W disipador de calor de disipación de 6W tendrá una diferencia de temperatura de 5 × 6 = 30 °C de modo que la temperatura del transistor se elevará a 25 + 30 = 55 °C (con seguridad menor que el máximo de 100 ° C).
  6. Todo lo anterior supone que el transistor está en la misma temperatura que el disipador de calor. Esta es una suposición razonable si están firmemente atornillados o unidos entre sí. Sin embargo, puede que tenga que poner una hoja de mica o similares entre ambos para proporcionar aislamiento eléctrico, entonces el transistor estará más caliente que el disipador de calor y el cálculo se hace más difícil. Para las hojas de mica típicos debes restar 2 °C/W del valor de la resistencia térmica (Rth) calculada en el paso 4 anterior.

Si todo esto le parece demasiado complejo, puede intentar utilizar un disipador de calor moderadamente grande y esperar lo mejor. Con cautela vigilar la temperatura del transistor con el dedo, si se vuelve doloroso, inmediatamente dele al conmutador de emergencia y utilizar un disipador de calor más grande, no lo dude. Por ese motivo, estaría bien saber la resistencia térmica.

¿POR QUÉ LA RESISTENCIA TÉRMICA?

El término “resistencia térmica” se utiliza porque es similar a la resistencia eléctrica:

  1. La diferencia de temperatura a través del disipador de calor, entre el transistor y el aire (es como en tensión, diferencia de potencial a través de una resistencia).
  2. La potencia térmica (o tasa de calor) fluye a través del disipador de calor del transistor al aire (es como la corriente que fluye a través de una resistencia).
  3. De modo que: R = V/I se convierte Rth = (Tmax – Tair)/Pt
  4. Así como usted necesita una diferencia de tensión para el paso de corriente, se necesita una diferencia de temperatura para el flujo de calor.

Este es una visión-repaso a los principios de usabilidad del transistor, y podemos decir que está suficientemente aclarado, sin embargo, creo que si hacemos hincapié en su aplicación con unos sencillos circuitos, quizás el aprendizaje se haga más comprensible.

CIRCUITOS DE TRANSISTORES.

Corrientes del Transistor.

El siguiente diagrama muestra las dos trayectorias de la corriente a través de un transistor. Usted puede construir este circuito con dos LEDs estándar de 5 mm rojos y cualquier transistor de uso general de baja potencia NPN (por ejemplo BC108, BC182 o BC548 entre otros).

Fig. 10

La pequeña corriente de base controla una corriente más grande de colector. Cuando el interruptor SW1 se cierra, una pequeña corriente fluye por la base (B) del transistor. Es suficiente para hacer brillar LED de base D1 tenuemente. El transistor amplifica esta pequeña corriente para permitir que fluya una corriente mayor a través de su colector (C) hacia su emisor (E). Dicha corriente de colector (C) es lo suficientemente grande para hacer que brille el LED D2.

Cuando el interruptor está abierto, no circulará la corriente de base, ni la corriente de colector, por lo que el transistor se desconecta. Ambos LEDs estarán apagados. Por lo tanto, el transistor amplifica corriente y puede utilizarse como un interruptor.

Esta disposición en la que el circuito de control está en el Emisor (corriente de base IB) y el circuito de colector Ic controlado por la corriente, se denomina modo de emisor común. Es la disposición más utilizada para los transistores NPN, por lo que, es la primera que usted debe conocer.

MODELO FUNCIONAL DE UN TRANSISTOR NPN.

El funcionamiento de un transistor es difícil de explicar y entender en términos de su estructura interna. Es más útil usar este modelo funcional:

modelonpnFig. 11

  • En la que la unión Base-Emisor se comporta como un diodo.
  • Una corriente de base IB fluye sólo cuando el voltaje a través de la unión Base-Emisor VBE es =< 0,7 V.
  • Una pequeña corriente de base IB controla una gran corriente de colector Ic.
  • IC = hFE × IB (a menos que el transistor esté totalmente ON y saturado) hFE es la ganancia de corriente (estrictamente la ganancia de corriente DC), un valor típico para hFE es 100 (y no tiene unidades porque es un ratio).
  • La resistencia Colector-Emisor RCE, está controlada por la corriente de base IB:
    • Si IB = 0 y RCE = (infinito), el transistor se encuentra en corte.
    • Si IB es pequeña, RCE se reduce, el transistor parcialmente encendido.
    • Si IB se incrementó RCE = 0 transistor totalmente ENcendido (‘saturado’).

Notas adicionales:

  • A menudo es necesaria una resistencia en serie con la base para limitar la corriente de base IB (evitando que el transistor se dañe).
  • Los transistores tienen una corriente de tasación máxima de colector IC.
  • Un transistor que está totalmente ON (con RCE = 0) se dice que está “saturado”.
  • La ganancia de corriente hFE puede variar ampliamente, ¡incluso para los transistores del mismo tipo!
  • Un transistor que está totalmente ENcendido (con RCE = 0) se dice que está “saturado”.
  • Cuando un transistor está saturado la VCE tensión colector-emisor se reduce a casi 0 V.
  • Cuando un transistor está saturado la corriente IC de colector se determina por la tensión de alimentación y la resistencia externa del circuito de colector, no por la ganancia de corriente del transistor. Como resultado, la relación IC / IB para un transistor saturado es menor que la ganancia de corriente hFE.
  • La corriente de emisor IE = IC + IB, pero IC es mucho mayor que IB, así que más o menos IE = IC.

En función de las tensiones que se apliquen a cada uno de los tres terminales del transistor bipolar, podemos conseguir que éste entre en una región de funcionamiento u otra. Eso lo veremos a continuación.

REGIONES DE FUNCIONAMIENTO.

El objetivo de este apartado es utilizar un método de para hallar el punto de funcionamiento de circuitos con transistores bipolares (BJT). Veremos que es la polarización en emisor común, polarizar un transistor significa, aplicar una tensión y una corriente continua al dispositivo semiconductor, para que funcione de un modo determinado. Al conjunto de resistencias y tensiones, se le llama red de polarización. El transistor bipolar tiene dos modos de trabajo:

Región de Saturación o Corte. Cuando el transistor se encuentra en corte, no circula corriente por ninguno de sus terminales. Concretamente, y a efectos de cálculo, decimos que el transistor se encuentra en corte cuando se cumple la condición: IE = 0.

Región Activa o de Amplificación. La región activa es la zona de funcionamiento normal del transistor. Existen corrientes en todos sus terminales y se cumple que la unión base-emisor se encuentra polarizada en directa y la colector-base en inversa.

En general, y a efectos de cálculo, se verifica lo siguiente: VBE = Vγ <> IC = β * IB, donde Vγ es la tensión de conducción de la unión base-emisor (en general 0,6 voltios en silicio).

Saturación. En la región de saturación se verifica que tanto la unión base-emisor como la colector-base se encuentran en polarización directa. Se dejan de cumplir las relaciones de activa, y se verifica sólo lo siguiente: VBE = VBE sat <> VCE = VCE sat. Donde las tensiones base-emisor y colector-emisor de saturación suelen tener valores determinados (VBE sat = 0,8 y VCE sat = 0,2 voltios habitualmente).

Se ha de resaltar especialmente que, cuando el transistor se encuentra en saturación circula también corriente por sus tres terminales, pero ya no se cumple la relación: IC = β * IB

CONFIGURACIÓN EN EMISOR COMÚN.

Es la configuración en la que el emisor del transistor y la fuente de tensión están unidos en un mismo punto. Con esta disposición general, existen tres polarizaciones ampliamente utilizadas: polarización de base, polarización de colector y polarización de emisor. Cada una de ellas con unas características bien definidas.

Polarización de base.

polarizacion_baseFig. 12 – Punto de trabajo del transistor

Este circuito es fácil de construir, usa pocos componentes y se polariza como interruptor. Tiene el inconveniente que la RC depende de la β a la que es sensible. Esta polarización se utiliza ampliamente como interruptor. No debería utilizarse en ningún momento como amplificador de tensión. Utiliza las dos mallas de circulación de corriente, la del circuito de base y del colector:

VCC – (RB * IB) – VBE = 0 ; IB * RB = VCC – VBE < 1)

VCC – (RC * IC) – VCE = 0 ; IC * RC = VCC – VCE ; IB * β = VCC – VCE < 2)

Los límites de la recta de carga nos definirá un par de valores VCE-IC que fijará los posibles puntos que podrá ocupar el punto de funcionamiento del transistor.

recta_carga_ecFig. 13

Partiendo de la formula 1, si anulamos la corriente de colector, se dice que el transistor estará trabajando en corte, obtenemos un extremo de la recta de carga:

VCC = VCE Corte < 3)

Para obtener el otro extremos de la recta de carga, ahora anularemos la tensión VCE, el transistor esta trabajando en saturación:

VCC = RC * IC ; VCC = IC Sat * RC < 4)

Polarización de colector.

Con esta polarización obtiene una mayor estabilidad que en la polarización de base. Si la ganancia de corriente del transistor tiende a aumentar, debido a un cambio de temperatura o sustitución del transistor por otro de β mayor, la corriente de colector tenderá a aumentar también. Esto generará un aumento de la caída de tensión en colector RC, o bien, una disminución de la tensión VCE, provocando una tendencia a disminuir del valor de IB. De esta forma se limita el aumento iterativo de IC. Debido a este hecho se dice que esta polarización posee, de forma intrínseca, realimentación negativa.

polarizacion-colFig. 14

La malla del circuito de colector nos ofrece el valor de la resistencia de colector:

VCC – (RC * IE) – VCE = 0 ; IE * RC = VCC – VCE ; IB * (1 + β) = VCC – VCE <5)

Podemos observar que la ganancia de corriente afecta al valor de RC, aunque debido al efecto comentado de realimentación negativa, no tiene tanta importancia como en la polarización de base.

Con la malla de base, nos queda:

VCC – (RC * IE) – (RB * IB) – VBE = 0 ; IB * RB = VCC – VBE – [ RC * ( β+ 1) ] ; IB = VCE – VBE <6)

Debemos notar que la corriente que multiplica a RC no es IC, como de costumbre, sino la suma de la corriente que se deriva a través de la base más la propia de colector, es decir, IE.

Si necesitáramos calcular las corrientes que circulan por esta polarización, en lugar de las resistencias, nos quedarían las siguientes ecuaciones:

VCC – (RC * IE) – (RB * IB) – VBE = VCC – (RC * IB(1 + β)) – (RB * IB) – VBE = 0 ; IB * RC(1+ β) + RB = VCC – VBE < 7)
formula8Fig. 15 Formula [1]

 Para tratar de minimizar el efecto de la ganancia de corriente y que, IC sea independiente de la β del transistor, debe cumplirse que: RC << RB / β

Polarización de emisor.

Con esta polarización obtiene una mayor estabilidad que en la polarización de base. Si la ganancia de corriente del transistor tiende a aumentar, debido a un cambio de temperatura o sustitución del transistor por otro de β mayor, la corriente de colector tenderá a aumentar también. Esto generará un aumento de la caída de tensión en colector RC, o bien, una disminución de la tensión VCE, provocando una tendencia a disminuir del valor de IB. De esta forma se limita el aumento iterativo de IC. Debido a este hecho se dice que esta polarización posee, de forma intrínseca, realimentación negativa.

polariza_x4resFig. 16

Esta polarización de emisor o de cuatro resistencias, tiene una estabilidad de funcionamiento mayor que la polarización de base y la de colector, debido al efecto de la realimentación negativa y a la independencia de las mallas de base y colector. Si la ganancia de corriente del transistor aumentase, debido a un cambio de temperatura o sustitución del transistor por otro de β mayor, las corrientes de colector y emisor aumentarán también.

 Esto generará un aumento de la caída de tensión en RE. Al estar la tensión de base fijada de forma independiente, por R1 y R2 provocará una disminución del valor de VBE. En otras palabras, tenderá a llevar el transistor más hacia el corte que hacia la saturación.

La polarización en emisor común de un transistor NPN, como veremos, se logra mediante las adecuadas tensiones de polarización. La polarización de un transistor en ausencia de señal de entrada, ver figura, consiste en aplicar las tensiones calculadas a las uniones respectivas Base-Emisor (VBE) y Base-Colector (VBC) que permitan situar al transistor en la región de la curva de funcionamiento. De esta figura, se obtienen las ecuaciones necesarias para resolver este tipo de polarización:

Las mallas del circuito son las siguientes; de base:

VCC – VR1 – VBE – (RE * IE) = 0 ; y de colector:

VCC – (RC * IC) – VCE – (RE * IE) = 0

Esta polarización es la mas estable de las tres porque, cuando el circuito está bien diseñado, éste casi no se ve afectado por el cambio en el valor de β, pero para que eso ocurra se tiene que cumplir la siguiente condición: β * RE ≥ 10 * R2, para que la base vea a RE aumentada en β veces.

Luego para la malla de entrada si R2≤(β*RE/10), a la corriente que circule por R1 le será mas fácil ir a tierra a través de R2 que a través de RE, es decir la corriente que circule por R2 será prácticamente la misma que circule por R1, entonces el camino formado por R1 y R2 será un divisor de tensión, por lo tanto se tiene que cumplir: VB = (VCC * R2) / (R1 + R2)

Con lo cual, conoceremos el valor de la tensión de base VB y puesto que VBE = VB – VE = 0,7V. La tensión VE del emisor es VE = VB – 0,7 Ahora, con esto se puede hallar la corriente del emisor IE que es: IE = VE / RE si consideramos IC≈IE. Entonces, IC = VE / RE por lo tanto IC = (VB – 0,7) / RE

En la malla de salida, se tiene que: VCC = IC * RC + VCE + IE * RE pero hemos dicho que IE≈IC, entonces VCC = IC * RC + VCE + IC * RE por lo que, despejando VCE, tenemos: VCC – IC * RC + IC * RE = VCE y de aquí VCE = VCC – IC * (RC + RE) que viene a ser la ecuación de la recta de carga para este circuito.

VALORES A CALCULAR.

Para calcular la malla de base adecuadamente, podemos utilizar el teorema de Thévenin. Téngase en cuenta que para este circuito, la posible variación de la corriente de base que, se producirá al variar IC, desestabilizará la rama formada por las resistencias R1 y R2. Por eso, no debemos calcular de forma independiente el valor de tensión de la base del transistor como la simple tensión existente entre las resistencias R1 y R2.

Por lo tanto, es más fácil, aplicar el teorema de Thévenin al punto medio de las resistencias R1 y R2. Para ello, sustituiremos la tensión en la base del transistor por VTh (la tensión Thévenin) equivalente y las resistencias de R1 y R2, por su equivalente de RTh (resistencia Thévenin), es decir R1 // R2 (es decir, R1 paralelo R2). En estas circunstancias, el circuito equivalente Thévenin de la polarización de emisor, quedaría ahora de la forma de la derecha.

polariza_th_deFig. 17

Los valores de tensión y resistencia Thévenin los obtendríamos de estas formulas:
 VBE = VTh = (VCC * R2) / (R1 + R2) = cte.

RTH = R1 // R2 = (R1 * R2) / (R1 + R2)

De modo que, la malla del circuito de base queda de la siguiente forma:
VTH – (RTH * IB) – VBE – (RE * IE) = 0

En la malla de colector, despejando, nos queda que: RC = ((VCC – VCE) – (RE * IE)) / IC

Si para los diseños tomamos un valor de RE varias veces superior a RTh/β, el circuito será poco sensible a los efectos de cambio de β. Téngase en cuenta que,
 (1+β)/β ≈ 1 para valores de β ≥ 100.

Por experiencia, recomiendo elegir una R1 tal que, la corriente que circula por R1 sea 10 veces la intensidad de base IB, de manera que por R2 circularán 9 veces la IB. Así, la determinación de R2 es inmediata, y por sustitución, también el valor de R1.

R2 = VBE / 9 IB ; R1 = (VCC – VBE) / 10 * IB

Se observa con el equivalente Thévenin, que en la malla de colector la IC depende del valor de IB y de β. La potencia se mantiene constante, aunque reduzca VCE.

UN EJEMPLO PRACTICO.

polarizado-fijoFig. 18 Polarización fija.

Con todo lo explicado hasta ahora, ya podemos realizar un cálculo de polarización fija. Vemos en las hojas de datos del BC547B, que la ganancia de corriente β está en 200 como valor mínimo y un dato importante en este transistor es, la corriente de colector máxima de 100 mA.

Los datos del circuito son:

VCC = 12 V;
RC = 220 Ω;
RB = 68k;
β = 200.

Hallar los valores de IB, IC y VCE.

curvasdcarga_bc549Fig. 19 – Curvas de carga

IB = (VCC – 0,7V)/ RB = (12V-0,7V) / 68k = 0,16617 mA = 166,17 μA
IC = β * IB = 200 . 0,16617 mA= 33,235 mA
VCC = VCE + IC * RC => VCE = VCC – IC * RC = 12V – 33,235 mA . 220Ω =12 V – 7,31 V = 4,69 V

Ahora, para trazar la recta de carga, utilizaremos la expresión : VCC = VCE + IC * RC

En este caso, los puntos de corte con los ejes serán: para
IC = 0 => VCE = VCC = 12 V y para VCE = 0 => IC = VCC / RC = 12 V / 220Ω = 54,54 mA

EL TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR.

Los circuitos de conmutación son aquellos en los que el paso de corte a saturación se considera inmediato, es decir, el transistor no permanece en la zona activa. En el estado de conmutación, la potencia desarrollada en un transistor de conmutación es muy pequeña. En saturación la tensión VCE a través del transistor es casi cero y el transistor se dice que está saturado debido a que no puede pasar más corriente de colector IC. El dispositivo de salida conmutado por el transistor se suele llamar “carga“. Los circuitos típicos del transistor en conmutación son los circuitos lógicos, como los multivibradores y la báscula de Schmitt.

dioproFig. 20 – Carga

Un transistor bipolar en conmutación cuando esta en corte tiene su IB a cero mA. La IC es igual a la corriente de fugas ICEO del orden de nA, si se desprecia la caída producida por la corriente de fugas la tensión VCE es igual a VCC. El transistor bipolar en saturación, cuando esta en esta zona la VCE es aproximadamente de 0,2 voltios, su IC es aproximadamente igual a VCC dividido por la suma de resistencias en la malla de colector – emisor. El transistor en conmutación se comporta como un interruptor abierto y el tiempo de conmutación de un estado a otro limita la frecuencia máxima de trabajo.

Región de Corte.

Esto significa que el transistor en uso no debe calentarse y usted no necesitará considerar su potencia máxima. Los puntos importantes en los circuitos de conmutación son la corriente máxima de colector IC(max) y la mínima corriente de ganancia hFE(min). El margen de voltaje del transistor puede ser ignorado a menos que utilice una tensión de alimentación superior a aproximadamente 15V.

tr_en_corteFig. 21

Utilizando el transistor anterior con los valores de: β = 200, IC = 4 mA y IB = 20uA. En contra el valor de la resistencia de Base (RB) requerida para conmutar la carga completamente “ON” cuando la tensión en los terminales de entrada excede 2.5v.

RB = (Vin – VBE) / IB = (2.5 – 0.7) / 20*10^-6 = 90KΩ

El valor estándar siguiente más bajo es: 82kΩ, esto garantiza que el transistor está siempre saturado, como interruptor.

Entonces podemos definir la “región de corte” o “modo OFF“, cuando se utiliza un transistor bipolar como interruptor, en esencia, ambas uniones polarizadas inversamente, VB < 0.7V e IC = 0, como se aprecia en la figura 21. Para un transistor PNP, el potencial necesrio de Emisor será negativo con respecto a la Base.

Región de Saturación.

Aquí significa que, el transistor se hará de manera que se aplique la cantidad máxima de corriente de base, de modo que, la corriente máxima de colector provoca una caída de tensión de colector-emisor mínima que, produce el agotamiento en la capa siendo lo más pequeño posible y la máxima corriente que fluye a través del transistor. Por tanto, el transistor ahora se conmuta a “todo ON”.

Entonces podemos definir la “región de saturación” o “modo ON” cuando se utiliza un transistor bipolar como interruptor en esencia, ambas uniones polarizadas directamente, VB > 0.7V e IC = Máximo, como se aprecia en la figura 17. Para un transistor PNP, el potencial del emisor debe ser positivo con respecto a la base.

Una vez más utilizando los mismos valores, encontrar la corriente mínima de base requerida para encender el transistor totalmente “ON” (saturado) para una carga que requiere 200mA de corriente cuando la tensión de entrada se incrementa a 5.0V. Calcular también el nuevo valor de RB.

Corriente de base del transistor: IB = IC / β = 200mA / 200 = 1mA
Resistencia de base del transistor: RB = (Vin – VBE) / IB = (5.0 – 0.5V) / 1 * 10^-3 = 4K3Ω

TRANSISTOR CONMUTADOR LÓGICO.

La mayoría de los circuitos integrados no pueden suministrar grandes corrientes de salida, por lo que puede ser necesario utilizar un transistor para conmutar la mayor corriente requerida por los dispositivos de salida, tales como lámparas, motores o relés. El temporizador IC555 es inusual porque, puede suministrar una cantidad relativamente grande de corriente de hasta 200 mA, que es suficiente para algunos dispositivos de salida, tales como lámparas de baja corriente, zumbadores y muchas bobinas de relé sin necesidad de utilizar un transistor.

salida_digital-Fig. 22 – Salida digital NPN

Se puede utilizar un circuito integrado con un suministro de bajo voltaje de 5V, conectado a un transistor NPN para conmutar la corriente necesaria al dispositivo de salida, con una tensión de suministro independiente superior. Es necesario que las dos fuentes de suministro estén unidas, normalmente esto se hace mediante la unión de sus conexiones de tierra o masa, esto se llama masa común.

Se utilizan los transistores NPN como conmutadores, para una amplia variedad de aplicaciones, tales como la interconexión de dispositivos de alta tensión o corriente como ya sea ha dicho, relés, motores o lámparas de baja tensión a la lógica digital o circuitos de puertas AND u OR. Observese que las tensiones de suministro de la etapa digital está separada de la etapa de potencia sin embargo tienen masa común, las masas están unidas.

Esta es una salida de una puerta lógica digital es sólo + 5v (HIGH), pero el dispositivo a controlar pueden requerir un suministro de 12V o incluso 24V. O puede que tenga que tener su velocidad controlada utilizando la carga, una serie de pulsos (Pulse Width Modulation), como un motor de corriente continua.

salida_digital_pnp+Fig. 23 – Salida digital PNP

Los transistores conmutadores nos permitirán hacer esto más rápido y más fácilmente que con interruptores mecánicos convencionales. Es necesaria una resistencia RB para limitar la corriente que fluye en la base del transistor y evitar que se dañe. Sin embargo, RB debe ser suficientemente baja para asegurar que el transistor esté saturado a fondo para evitar el sobrecalentamiento, esto es particularmente importante si el transistor está conmutando una gran corriente (>100 mA). Una regla segura es hacer que la corriente de base IB aproximadamente cinco veces mayor que el valor que justo debe saturar el transistor.

También podemos utilizar los transistores PNP como un interruptor, la diferencia en este caso es que la carga está conectado a tierra (0v) y el transistor PNP conmuta la potencia a la misma. Para activar el transistor PNP operando como un interruptor “ON”, el terminal de la base está conectada a tierra o cero voltios (LOW) como se muestra en la figura.

Las ecuaciones para el cálculo de la resistencia de base, la corriente y tensiones de colector son exactamente los mismos que para el interruptor anterior de transistor NPN. La diferencia esta vez es que estamos cambiando el suministro (corriente de alimentación) con un transistor PNP en lugar de conmutación a tierra con un transistor NPN (corriente de hundimiento).

Elección de un transistor NPN adecuado para utilizar con un circuito digital

El esquema del circuito de la derecha, muestra cómo conectar un transistor NPN, esto conmutará la carga cuando la salida del CI (circuito integrado) es alta (5V). Si usted necesita la acción contraria, con la carga de encendido cuando la salida del CI es baja (0V), por favor ver el circuito de un transistor PNP continuación.

trswinpnFig. 24

Estos son los pasos a seguir para elegir un transistor de conmutación adecuado.

  • La corriente máxima de colector IC(max) del transistor, debe ser mayor que la corriente de carga IL. La corriente de carga IL = VS (tensión de alimentación) / RL (resistencia de carga).
  • La mínima corriente de ganancia hFE(min) del transistor, debe ser al menos cinco veces la corriente de carga IL dividida por la corriente máxima de salida del CI.
    hFE(min) > 5 x IL (corriente de carga) / IC (max. corriente colector).
  • Elija un transistor que cumpla estos requisitos y tome nota de sus propiedades: IC(max) y hFE(min). Hay una tabla que muestra los datos técnicos para algunos transistores populares.
  • Calcular un valor aproximado para la resistencia de base RB: RB = (VC × hFE) / (5 × Ic) donde  VC = IC; voltaje de suministro, IC corriente del CI (en un sencillo circuito con un suministro, esto es Vs).

En un circuito simple donde el CI y carga comparten la misma fuente de suministro (VC = VS) es posible que prefiera utilizar: RB = 0,2 × RL × hFE. A continuación, seleccione el valor estándar más cercano para la resistencia de base.

  • Finalmente, recuerde que si la carga es una bobina de motor o de un relé se requiere un diodo de protección.

Ejemplo: La salida de un CI series CMOS 4000, requiere un transistor para operar un relé con una bobina de 100Ω. La tensión de alimentación es de 6V, tanto para el CI y la carga. El CI puede suministrar una corriente máxima IC de 5 mA.

  • La corriente de la carga IR =VS/RL = 6/100= 0.06A = 60mA así, el transistor debe tener IC(max) > 60mA.
  • La máxima corriente del CI es 5mA, así que el transistor debe tener hFE(min) > 60 (5 × 60mA/5mA).
  • Elija un transistor de propósito general de baja potencia BC182 con IC(max) = 100mA y hFE(min) = 100.
  • RB = 0.2 × RL × hFE = 0.2 × 100 × 100 = 2000ohm. así que elija RB = 1k8Ω or 2k2Ω.
  • La bobina de relé requiere un diodo de protección.
Elección de un transistor PNP adecuado para su uso con un CI digital.

El esquema del circuito muestra cómo conectar un transistor PNP, esto cambiará en la carga cuando la salida del CI es baja (0 V). Si usted necesita la acción contraria, con la carga de encendido cuando la salida del CI es elevada por favor vea el circuito para un transistor NPN arriba.

trswipnpFig. 25

El procedimiento para la elección de un el transistor PNP adecuado es exactamente el mismo que el de un transistor NPN descrito anteriormente.

TRANSISTOR DARLINGTON.

Esto son dos transistores conectados entre sí de manera que la corriente amplificada por el primero se amplifica aún más por el segundo transistor. A veces la ganancia de corriente del transistor bipolar en CC es demasiado baja para cambiar directamente la corriente de carga o tensión, por lo que se utilizan múltiples transistores de conmutación. Si utilizáramos un pequeño transistor de entrada, se comportaría como inversor y no es lo que necesitamos, lo que queremos es un transistor de salida para conmutar “ON” u “OFF” una corriente mucho mayor, y para maximizar la ganancia de la señal,  los dos transistores estarán conectados en una “configuración Ganancia Complementaria Compuesta” o lo que es más comúnmente llamado una “Configuración Darlington“, donde el factor de amplificación es el producto de los dos transistores individuales.

darlingtonFig. 26

Es decir, el transistor Darlington simplemente contiene dos transistores bipolares de tipo NPN o PNP individuales conectados juntos de modo que la ganancia de corriente del primer transistor se multiplica con la ganancia de corriente del segundo transistor, para producir un dispositivo que actúa como un solo transistor con una muy alta ganancia de corriente, con una corriente de base mucho más pequeña. La corriente de ganancia Beta general (β) o el valor HFE de un dispositivo Darlington es el producto de las dos ganancias individuales de los transistores y se da como: βT = β1 * β2.

Así, transistores Darlington con valores β muy altas y altas corrientes de colector son posible en comparación con un solo transistor. El par Darlington da una muy alta ganancia de corriente, tales como 10.000, de modo que sólo se requiere una pequeña corriente de base para hacer el cambio en par. Por ejemplo, si el primer transistor de entrada tiene una ganancia de corriente de 100 y a continuación el segundo transistor de conmutación tiene una ganancia de corriente de 50, la ganancia de corriente total será de 100 x 50 = 5000.

Así, por ejemplo, si nuestra corriente de carga desde arriba es 200 mA , entonces la corriente de base darlington es sólo 200 mA / 5000 = 40 uA. Una enorme reducción desde 1mA anterior para un solo transistor. Para activar un Darlington debe haber 0.7V a través de ambas uniones base-emisor, están conectados en serie en el interior del par Darlington, por lo tanto, requiere 1.4V para para activarse.

swtouchFig. 27

Pares Darlington están disponibles como paquetes completos pero usted puede hacer su propia versión a partir de dos transistores; TR1 puede ser un tipo de baja potencia, pero normalmente TR2 tendrá que ser de alta potencia. El colector de corriente máxima IC (max) para el par es el mismo que IC (max) para TR2. Un par Darlington es tan sensible como para responder a la pequeña corriente que pasa por la piel y puede ser utilizado para hacer un interruptor táctil como se muestra en el diagrama. Para este circuito que sólo se enciende un LED los dos transistores pueden ser cualquier transistores de baja potencia de propósito general. La resistencia 100KΩ protege los transistores si los contactos están vinculados con un pedazo de alambre.

En este artículo he contemplado una parte muy restringida de las posibilidades que ofrece el uso adecuado de un transistor, en particular está dirigido al uso en aplicaciones con circuitos integrados, sobre todo a cómo aplicar un transistor a una salida de un circuito integrado. Por supuesto que hay muchas más aplicaciones y formas de usar un transistor. La parte del transistor, dirigida a la amplificación la he obviado deliberadamente en este artículo, entiendo que al igual es merecedora de un artículo exclusivamente dedicado al sonido, pero eso lo abordaremos en otra ocasión, si me lo permiten.

Espero haber cubierto adecuadamente un área importante en la que utilizar un transistor dentro de unos parámetros adecuados.

Referencias:

Transistores Bipolares.

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