Transistores.
Calculo de redes de polarización de base.
Fijando sobre la recta de carga de la figura anterior, los puntos donde se cortan en la recta de carga los valores de corrientes de base de entrada, se obtiene la tensión de la tensión colector - emisor y la Ic que circulará.
Por ejemplo: La línea de 35µA que llega al punto N, nos indica que la tensión Vce es de 4,9 Voltios, y la Ic es de 3,5 mA. Si inyectamos una señal variable, de forma sinuidal, a la base, Ib se modificará en cada semiciclo. En el eje vertical de la gráfica de coordenadas se obtiene unas esas variaciones de Ib, pero en la componente de Ic, por lo que el resultado es son amplificadas. De igual manera en el eje horizontal se obtienen esas señales pero amplificadas en la tensión de Vce.
Como puedes ver, ya hemos determinado la corriente de base necesaria para el correcto funcionamiento del transistor como amplificador. Solo nos queda producir una tensión en el diodo emisor para que, por medio de redes se produzcan los 35µA a través de la resistencia interna de del diodo emisor. En la hoja de características de los transistores te vienen datos de funcionamiento de los mismos, como su máxima tensión de colector - emisor, su máxima corriente de entrada, tensión y como el valor de sus resistencias internas. Fijándonos en la resistencia de un transistor cuyo valor es de 500Ω, calculamos la tensión del diodo emisor (Vbe).
Vbe = Rbe x Ib = 500Ω x 0,000025A = 0,0125V
Si al circuito de polarización le quitamos R2 y dejamos el valor resistivo del diodo emisor, podemos apreciar que R1 deberá absorber el resto de la tensión de alimentación del colector, ya que en el ejemplo, R1 está conectado al colector. Por lo tanto:
R1 = [Vce - Vbe] ÷ Ib =
[4,9V - 0,0125V] ÷ 0,000025A = 195500Ω = 195KΩ
En la figura siguiente se observa este circuito. El condensador C1 bloquea la componente continua y deja pasar la señal alterna que deseamos amplificar. De esta manera el condensador aisla la polarización de base de la corriente continua, e impide que se vea afectada por cualquier circunstancia anterior al punto C1. Para sacar esta misma señal alterna pero amplificada, se recurre a otro condensador C2. Este condensador aisla la tensión continua que podría haber más allá de C2.
En el dibujo de abajo, se puede ver el circuito con auto polarización y estabilización por resistencia en emisor Re. De acuerdo a lo estudiado, la corriente por la resistencia de base R2 (y por tanto a través de R1), debe ser un quinto de la corriente de colector, por lo que:
IR2 = Ic ÷ 5 = 3,5mA ÷ 5 = 0,7mA.
Como la corriente de base es muy pequeña con relación a esta otra de polarización, la resistencia total del divisor será de:
R1 + R2 = Vcc ÷ IR2 = 10V ÷ 0,007A = 14285Ω = 15KΩ
Para obtener la Ie podemos despreciar la Ib y considerar Ie prácticamente igual a la Ic (Ie = Ic + Ib), por lo que para el cálculo de Re tomaremos esta misma intensidad. Recuerda que la tensión en Re debe ser un quinto de la tensión de colector, por lo que:
Ve = Vc ÷ 5 = 4,9V ÷ 5 = 0,98V
El valor de Re será:
Re = Ve ÷ Ie(=Ic) = 0,98V ÷ 0,0035A = 280Ω
Sabemos que para obtener 25µA por la base, la tensión del diodo emisor debe ser de 12,5mV, si la tensión en el emisor es de 0,98V, la tensión que debemos de dejar entre los extremos de R2, es decir la tensión de base será:
VR2 = Vb = Ve + Vbe = 0,98V + 0,0125V = 0,9925V ≡ 1V
Y en consecuencia:
R2 = Vb ÷ IR2 = 1V ÷ 0,7mA = 1428Ω = 1K5Ω
Puesto que la resistencia total del divisor debe ser de 15KΩ, R1 debe ser de:
Rdivisor = R1 + R2 =
R1 = Rdivisor - R2 = 15KΩ - 1K5Ω =
13K5Ω
NOTA: En la imagen superior se ha sustituido la batería VCC por el +Vcc. Lógicamente, el negativo de la pila va conectado a masa o al punto inferior del gráfico de negativo.
Compensación de la ganancia
En estos circuitos que acabas de estudiar, en los que se produce una estabilización del punto de funcionamiento del transistor, para que no se rompa el transistor, se produce un efecto de realimentación negativa. Este efecto hace que el transistor, al amplificar, no lo haga del todo ya que parte de la señal de salida es enviada de nuevo a la entrada con su fase invertida, lo que disminuye la señal de entrada en amplitud. En el siguiente circuito, estudiaremos los efectos de esto.
Al iniciarse el semiciclo positivo de la señal, el transistor tiende a aumentar su conducción ya que la tensión del diodo emisor (Vbe) también aumenta y como consecuencia crece la Ie. Al aumentar la Ie, también aumenta la caída de tensión en Re y como Vbe = Vb - Ve, si aumenta Ve disminuye Vbe produciéndose una amortiguación de la señal de entrada que se contrarresta con la que se forma en el emisor.
Para evitar este inconveniente, en paralelo se sitúa un condensador Ce, que tiene por misión permitir el paso de la señal variable y aislar la componente continua. Por Re, pasarían las 2 componentes con lo cual modificaría la diferencia de potencial que se desarrolla en sus extremos modificando también el punto de trabajo, cosa que no interesa.
Sin embargo, la componente ie (intensidad de la señal de emisor),tiene 2 caminos Re y Ce. Como interesa que la resistencia Re sea lo más grande para la señal ( y que así no pase por ella la corriente ie ), Ce se calcula para que la reactancia Xc, tenga a la baja frecuencia un valor diez veces menor que Rc. Así las 9 partes de la señal pasan por el condensador y una única parte pasa por la resistencia que prácticamente no modifica la d.d.p.
La reactancia de Ce debe ser 10 veces menor que el valor de Re a la frecuencia menor a la que no queramos que exista realimentación (en audio se estima a 20 Hercios).
RXc = 280Ω ÷ 10 = 28Ω
Por lo que:
Ce = 1 ÷ [2 x π x F x Xc] = 1 ÷ [2*3,14159*20*28] = 0,0000281 faradios = 28µF
Ese es el valor del Ce. Ahora nos queda por averiguar la capacidad del condensador de acoplamiento y el de desacoplo C1 y C2. La reactancia de C1 se comparará con la resistencia de entrada del diodo emisor y al igual que Ce su reactancia debe ser la décima parte de Rbe. Sabiendo que Rbe es de 500Ω, XC1 = 50Ω, y su valor es de 160µF (realizo el cálculo de la misma forma que antes pero cambiando el valor de la Xc). El tipo de los condensadores son electrolíticos debido a su alto valor. Para el cálculo de C2 se procede de la misma forma.
Configuraciones básicas
Al comienzo de esta lección, al definir el transistor, se le ha señalado que tiene tres terminales; dos corresponden a la entrada y otros dos a la salida; uno de ellos es común a la entrada y a la salida. La configuración básica del circuito estudiado era el de la entrada entre el emisor y la base y la salida entre la base y el colector, por lo que el terminal común es la base. Este circuito se considera base común. Después, al estudiar las redes de polarización, hemos visto que el circuito de entrada era emisor - base y la salida está entre el emisor y el colector, por tanto el emisor es el terminar común. Este circuito es de emisor común. De esto se deduce que los transistores tienen varias formas de funcionamiento.
Emisor Común:
Es el más difundido por ser el de mayor ganancia de potencia. Se presenta la imagen anterior, ya que es el mismo circuito.
La señal se aplica entre el emisor y la base, y la salida entre el colector y el emisor. Una particularidad interesante de este transmisor es que se produce una inversión de fase de la señal de entrada. A efectos de señal alterna, el emisor del transistor está conectado a masa, ya que la XCE que presenta el condensador lo hace insignificante.
Base común:
Este tipo de amplificador es el visto al principio del tema.
Las características a recalcar son:
● Posee buena amplificación de tensión
● No produce inversión de fase de la señal de salida respecto a la entrada
● La base conectada a masa se comporta como blindaje entre la entrada y salida
● La señal de entrada tiene que ser de potencia para excitar al transistor.
Colector común
En este curso no se estudiará este tipo de circuito, pero se tratará más adelante para en el tema de acople de impedancias, ya que este circuito tiene características buenas para este tema como puede ser alta impedancia de entrada y baja de salida; no amplifica ni produce inversión de fase de la señal de entrada.
Transistores, su constitución.
La base de todo transistor es el cristal de germanio o silicio dotado de las correspondientes impurezas para que presente las propiedades semiconductoras del material N o P. El cristal en bruto de una u otra clase se consigue a través de la cristalización o crecimiento artificial con el que se obtienen barras.
De cada barra de germanio o silicio se obtienen cientos de transistores a través de un proceso de tallado, de difusión de impurezas, implantación de electrodos y encapsulación final.
La primera producción de transistores eran por puntas; es decir, que sus uniones internas se realizaban por alambres finísimos que descansaban en una pequeña lámina semiconductora (generalmente germanio), y que coincidían con manchas de impurezas y sobre las que se conseguía la combinación PNP o NPN entre los puntos de apoyo y el espacio que quedaba entre ellos. En la actual producción de transistores se utiliza la técnica de la unión, que es la que en un mismo cristal semiconductor se conseguía que existiese en los extremos una zona dopada con tipo de semiconductor y la zona central con el otro tipo para así obtener cristales tipo PNP o NPN según la configuración del cristal. Luego se une cada zona con un alambre y se saca al exterior del encapsulado.
Existen grandes ventajas en referencia al transistor de puntas y al de unión. el de puntas tenía la ventaja de poseer baja capacidad interna, pero era frágil a tensiones elevadas; sin embargo el de unión, tiene capacidad interna relativamente alta, pero puede trabajar con tensiones altas y su frecuencia de trabajo también es elevada, incluso capaz de trabajar con miles de MHz.
Límites funcionales de los transistores.
Entre los datos suministrados por el fabricante están los siguientes datos que deberemos de tener en cuenta a la hora de utilizar transistores:
Corriente máxima de colector:Como su nombre indica, se refiere a la máxima corriente que puede circular por el colector sin que el mismo se rompa. Esta corriente está controlada por las distintas polarizaciones de los otros electrodos. Se suele expresar en mili amperios salvo de los potencia que se expresan en amperios.
Tensión máxima de colector:Puesto que la tensión base - colector se halla inversamente polarizado para que el transistor pueda trabajar como tal, y si la tensión de colector va en aumento, llegará un valor en que se producirá la perforación de dicha unión dejando al transistor sin funcionar. A este valor se le llama tensión de ruptura, a partir del cual, se va a producir el efecto de avalancha que has estudiado en los diodos, pero destruirá al transistor, ya que no está diseñado para aguantar este efecto.
Corriente de corte:Es la corriente de fuga que fluye por el circuito colector - base cuando no existe corriente por el emisor (se representa por Icbo). Cuando el emisor se halla en circuito abierto y, en consecuencia no circula corriente alguna a través de la unión base - emisor, todavía circula cierta corriente de colector debido a la fuga de la unión colector - base.
Tensión de saturación:Es el valor de diferencia de potencial entre el colector y el emisor que lleva al transistor, desde la corriente de colector cero a la corriente de saturación, donde, por más que cambie esta tensión no circulará más corriente por el colector.
Frecuencia de corte:La estudiarás más a fondo en el curso de RADIOFRECUENCIA de Mirpas.com, pero es la máxima frecuencia a la cual puede trabajar el transistor amplificando señales eléctricas.
Máxima potencia de colector:Es la máxima potencia que puede disipar el colector de un transistor sin que peligre su vida. Es un factor importante. Como has visto en el punto de las curvas características de los transistores, hay trazada una curva que representa la máxima potencia que puede disipar el colector y la tensión en el mismo, y nunca debe sobrepasar la curva si se quiere asegurar el normal funcionamiento del transistor.
Refrigeración y disipación de calor:Uno de los peligros más importantes en los transistores es el calor que se genera en su interior. Al pasar la máxima potencia en el colector, se genera mucho calor, y ese calor es capaz de destruir el transistor. Por ese motivo es vital considerar que si el transistor va a funcionar con elevadas tensiones y corrientes, insertar un refrigerador o un elemento para disipar el calor generado. Un refrigerador es un elemento que se agrega al transistor físico y que posee unas ranuras que hacen que salga el calor por allá y el aire circundante lo refrigere. Otro método es unir el transistor a una chapa conductora del calor y unirlo al chasis para facilitar la disipación; pero si lo que se quiere es aumentar la disipación de forma considerable y amentar el rendimiento, agrégale un ventilador que reduzca la transferencia de calor.
Denominación de los transistores
Desgraciadamente los fabricantes de transistores no se han puesto de acuerdo en la manera de denominar a los transistores. Por tanto no es nada raro encontrar que un mismo transistor está identificado de distinta manera. Los sistemas que predominan son el sistema europeo y el sistema americano.
Nomenclatura europea - antigua:Consta de 2 letras seguidas de un número. Las letras señalan si se trata de un diodo o de un transistor y el número indica el modelo. (OA90; OC74). Las letras "OA" significan: por la "O" que se trata de un semiconductor y por la "A" un diodo. Si las letras son "OC" indica que es un semiconductor por la "O" y por la "C" que se trata de un transistor.
Nomenclatura americana:Generalmente consta de 3 partes: un primer número de una cifra, seguida de una letra "N" y otro número de varias cifras (1N34; 2N3055). Si el primer número es 1, se trata de un diodo y si es un 2 de un transistor. La letra "N" indica el tipo de transistor.
Nomenclatura europea actual:Actualmente para la denominación de los semiconductores se emplea donde cada letra representa algo. Los semiconductores que se usan en audio, radio y televisión, utiliza 2 letras en la mayoría de los casos, y un número con 3 cifras. Los semiconductores utilizados en otras aplicaciones comienzan con 3 letras, seguidos por un número y 2 cifras.
Los transistores de procedencia japonesa vienen identificados por 2 primeras siglas y el tercer lugar, por una letra que tiene el significado:
A continuación de estas letras suelen ir una serie numérica de 2 ó 3 cifras.
Espero que te haya servido de ayuda y que adquieras conocimientos para pasar a un nivel superior. Más adelante en otros cursos, ampliaremos la información sobre los transistores.
Ahora visita el enlace del vídeo y después realiza la prueba para saber sobre tus conocimientos.
