Dispositivos Electrónicos - Novillo Carlos - Capítulo 3

TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNTURA [BJT]El transistor fue inventado por un equipo de 3 cientficos de los Laboratorios Telefnicos Bell en diciembre de 1947. Aunque el primer transistor no fue un dispositivo bipolar de juntura, fue el inicio de una revolucin tecnolgica que todava contina. Todos los dispositivos y sistemas electrnicos complejos actuales, son el resultado del desarrollo de los transistores de semiconductor. Hay 2 tipos de transistor: el transistor bipolar de juntura [BJT] y el transistor de efecto de campo [FET]. Construccin y Principios de Funcionamiento.- La estructura de un transistor bipolar de juntura determina sus caractersticas de operacin. En esta seccin, se ver cmo se usan los materiales semiconductores para construir un transistor y se estudiarn los smbolos normalizados del transistor.

FIG U R A

3.1

El BJT se construye con 3-regiones de semiconductor dopado, separadas por 2 junturas pn, como se muestra en la estructura coaxial de la fig. 3.1. Las 3-regiones se denominan Emisor, Base, y Colector. Las representaciones fsicas de los 2 tipos de transistor bipolar se muestran en las figs. 3.2 a) y b). Un tipo consiste de 2-regiones N separadas por una regin P [NPN], y el otro consiste de 2-regiones P, separadas por una regin N [PNP].

FIG U R A

3.2

Carlos Novillo Montero

Can

TR A N SIS TO R B J T

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La juntura PN que une la regin de la Base con la de Emisor se denomina juntura Base-Emisor [B-E]. La juntura que une la regin de la Base con la de Colector, se denomina juntura Base-Colector [B-C], como se indica en la fig. 3.2 a). A cada una de estas 3-regiones se conecta un terminal de alambre. Los terminales se etiquetan como E, B y C por Emisor, Base y Colector, respectivamente. La regin de la Base est dopada ligeramente y es muy delgada en comparacin con el Emisor altamente dopado y el Colector dopado moderadamente. La relacin entre el ancho total y la capa central es de 0,381cm /0,00254cm [0,15/0,001] = 150:1. El dopaje de la capa central es considerablemente menor que el de las capas exteriores [por lo general de 10:1 o menos].

FIG U R A

3.3

Este nivel de dopaje reduce la conductividad [incrementa la resistencia] de este material al limitar el nmero de portadores libres. En la fig. 3.3 se trata de mostrar esto, aunque no est dibujada a escala. En ella se muestra la polarizacin correcta para un transistor NPN. A menudo se utiliza la abreviatura BJT (bipolar junction transistor = transistor bipolar de juntura) para estos dispositivos de 3-terminales. El trmino bipolar refleja el hecho de que, en la estructura cristalina, existen dos tipos de portadores: electrones [negativos] y huecos [positivos]. Operacin del Transistor.- La fig. 3.4 muestra al transistor NPN con la polarizacin de Base-Emisor, sin polarizacin de Colector. Puede verse, que la juntura Base-Emisor est polarizada directamente. Entonces, la barrera de potencial disminuye, esto hace que la corriente EmisorBase sea alta y se debe a los portadores mayoritarios.


Can


- 1 65 -

FIG U R A

3.4

Ahora se estudia la polarizacin del Colector [fig. 3.5].

FIG U R A

3.5

En este caso, la juntura B-C queda polarizada inversamente; entonces, la barrera de potencial se hace ms grande, la pequea corriente que fluye es la corriente de saturacin inversa del diodo [IS] y se debe exclusivamente a los portadores minoritarios.

FIG U R A

3.6

La fig. 3.6 muestra un transistor NPN con las polarizaciones tanto de Emisor como de Colector con respecto a la Base. En ella se muestran los voltajes de polarizacin y la direccin [no convencional] de las corrientes. En los dispositivos semiconductores sigue cumplindose la ley de Kirchhoff, por tantoCarlos Novillo Montero Can


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Debido a la alta impedancia de la Base, la corriente de Base IB se hace muy pequea. As mismo, se ve que la corriente del Colector est formada por 2-tipos de corriente: la de portadores mayoritarios que viene desde el Emisor y la de portadores minoritarios, esta ltima corriente es la corriente de fuga y se la simboliza como ICO = ICBO [que implica la corriente IC cuando el terminal del Emisor est abierto = open], de aqu se tiene que

IC se expresa en miliamperios e ICBO en micro o nanoamperios; ICmayor, es la parte de la corriente de portadores mayoritarios procedente del Emisor. ICBO . IS.- [Diodo polarizado inversamente] es una corriente muy sensible a los cambios de temperatura. Al mejorar las tcnicas de fabricacin de los transistores, ICBO se hace ms pequea y su efecto puede despreciarse. Resumen.- La fig. 3.7 muestra las junturas NP [diodo], NPN y PNP [transistores], y sus respectivos smbolos esquemticos y los voltajes de las junturas.

FIG U R A

3.7

LA FLECH A D EL SM B O LO ESQ U EM TICO DEL TRANSISTO R, DEFINE LA DIRECCI N DE LA CO RRIENTE DE EM ISO R [FLUJO CO NVENCIO NAL] A TRAVS DEL DIS P O SITIVO .


Can


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Configuraciones del Transistor.- Existen 3-configuraciones bsicas aceptables por su aplicabilidad: Base-comn (B-C), Emisor-comn (E-C) y Colector-comn (C-C) [fig. 3.8]. El terminal comn sirve como referencia tanto para el terminal de entrada como para el de salida.

FIG U R A

3.8

Curvas Caractersticas del BJT .- El transistor en un dispositivo nolineal, por tanto es necesaria la representacin grfica de sus propiedades. Como la impedancia de entrada del transistor para cualquiera de las configuraciones es finita, se hace necesaria una curva caracterstica de entrada y tambin una curva caracterstica que represente las propiedades de salida del circuito. De modo que, para describir completamente el comportamiento del transistor se necesitan 2-conjuntos de curvas. En cada caso es indispensable una familia de curvas, como se indica en las siguientes ecuaciones. Para B-comn: Malla ENT. IE = f1(VBE, VCB) Malla SAL. IC = f2(VCB, IE)

FIG U R A

3 .9

a)

Para E-comn: Malla ENT. IB = f1(VBE, VCE) Malla SAL. IC = f2(VCE, IB)

FIG U R A

3 .9

b)

Para C-comn: Malla ENT. IB = f1(VBE, VEC) Malla SAL. IE = f2(VEC, IB)

FIG U R A

3.9

c)

De estas ecuaciones se deduce que para cada configuracin del BJT [figs. 3.9], hay dos conjuntos de curvas caractersticas: de entrada y de salida respectivamente.Carlos Novillo Montero Can


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Configuracin Base-Comn.- La Base es comn para el terminal de entrada E (Emisor) y para el de salida C (Colector). Las figs. 3.10 a) y b) muestran la configuracin en Base-comn para los transistores NPN y PNP respectivamente. Adems la Base es el terminal ms cercano al potencial de tierra. Las direcciones de las corrientes son las convencionales.

FIG U R A

a) 3 .1 0

b)

En ambos casos se cumple la ley de Kirchhoff. IE = IC + IB La polarizacin indicada para las fuentes de voltaje es de modo que se establezca la corriente en la direccin indicada para cada rama. Curvas Caractersticas de Entrada en Base-Comn.- El conjunto de curvas caractersticas de entrada para el amplificador B-comn relaciona la corriente de entrada IE con el voltaje de entrada VBE para varios niveles de voltaje de salida VCB, fig. 3.11 a). Estas caractersticas muestran que para valores fijos de voltaje de Colector (VCB), a medida que VBE aumenta, tambin aumenta la corriente IE, de manera muy similar a la del diodo. Los aumentos de VCB tienen un efecto insignificante sobre las caractersticas, entonces en primera aproximacin, pueden ignorarse las variaciones de VCB y las caractersticas de entrada quedaran como se muestra en la fig. 3.11 b).


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a) FIG U R A 3 .1 1

b)

Una segunda aproximacin, de segmentos lineales se muestra en la fig. 3.11 c), mientras que la fig. 3.11 d) muestra la aproximacin de una cada de voltaje igual a V (VT). Para fines prcticos y de estudio se utilizar el modelo equivalente de la fig. 3.11 d). Esto significa que cuando el transistor est en estado de conduccin, se asumir que el voltaje BE es

c) FIG U R A 3 .1 1

d)

Para el transistor de silicio. Esto implica que con el transistor en estado de conduccin VBE = 0,6V, para cualquier valor de IE. Se puede decir que, para cualquier configuracin en modo DC, VBE = 0,6V si el dispositivo est adecuadamente polarizado, [transistor de silicio]. Curvas Caractersticas de Salida en Base-Comn.- Este conjunto de curvasCarlos Novillo Montero Can


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relaciona la corriente de salida (IC) con el voltaje de salida (VCB) para diferentes valores de corriente de entrada (IE), como se muestra en la fig. 3.12. El conjunto de curvas caractersticas de salida o de Colector tiene 3-regiones de inters que se indican en la siguiente tabla.R eg in: - A CTIVA NO R M A L - CO RTE - SA TUR A CI N

FIG U R A

3 .1 2

Los amplificadores lineales [sin distorsin], generalmente trabajan en la regin activa normal [R. A. N.], de las curvas caractersticas del BJT. En la regin activa normal, la juntura inversamente, mientras que la juntura directamente. Conforme IE aumenta, tambin aumenta IC en una magnitud casi igual a IE. Esto es verdad en la regin activa normal. En una primera aproximacin la relacin entre IE e IC, en la regin activa es B-C B-E est polarizada est polarizada

En la regin de corte [extremo ms bajo], cuando IE = 0, la corriente del Colector es la corriente de fuga ICBO [del orden de los microamperios o menos], de modo que [fig. 3.13] puede decirse que IC . 0mACarlos Novillo Montero Can


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FIG U R A

3 .1 3

En este caso, se dice que el transistor est en la regin de corte, y no conduce. La nica corriente que circula es ICBO que es despreciable a temperatura ambiente. Sin embargo, ICBO, al igual que IS [del diodo] es muy sensible a los cambios de temperatura. Para temperaturas altas, el efecto de ICBO puede llegar a ser un factor importante, puesto que se incrementa muy rpidamente con la temperatura. En la regin de corte, las junturas B-C y B-E del transistor estn polarizadas inversamente. La regin de saturacin se define como la parte de las curvas caractersticas a la izquierda de VCB = 0. Puede observarse el incremento exponencial de IC para pequeos incrementos de VCB. En la regin de saturacin, las junturas B-C y B-E del transistor estn polarizadas directamente. Ejemplo: Utilizar las curvas caractersticas de salida de un transistor en B-comn para determinar IC sabiendo que IE = 5mA y VCB = 12,5V. De las curvas correspondientes puede verse que: IC . 4,95mA Repita el problema anterior para IE = 5mA y VCB = 2V De las curvas de salida se tiene: IC . 4,91mA Ganancia de Corriente en Base-comn.- Como se ha visto de las curvas caractersticas de salida, en los ejemplos anteriores, las corrientes IE e IC son aproximadamente iguales. Y estn relacionadas por un factor denominado alfa () que se define como

entonces

donde IE e IC son los valores de las corrientes en el punto de operacin. De lo anterior se deduce que DC . 1, con valores que varan entre 0,925Carlos Novillo Montero Can


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y 0,999. DC se define para portadores mayoritarios, por tanto,

Normalmente ICBO es muy pequea y su efecto puede despreciarse. Con los datos del ejemplo anterior se puede calcular el valor de DC para los dos casos: a) IE = 5mA, IC = 4,95mA; b) IE = 5mA, IC = 4,91mA; entonces, DC = 0,99 entonces, DC = 0,982

Puede verse que DC no es constante y depende del punto de trabajo seleccionado, aunque para muchos propsitos puede considerarse como un valor aproximadamente constante. Para aplicaciones ac, en las que el punto de operacin se mueve sobre las curvas caractersticas, la definicin de ac es

Factor de amplificacin en B-C.

Para la mayora de los propsitos prcticos ac y DC tienen valores bastante similares, permitiendo reemplazar la magnitud de la una por la otra. Amplificacin del Transistor.- Analizar la red de la fig. 3.14. Para la configuracin en B-comn, la impedancia de entrada [Zin] es muy pequea, normalmente entre 10 y 100; mientras que la impedancia de salida [Zo] es alta entre 50K y 1M; [esto se debe a que la juntura BE de la entrada est polarizada directamente y la juntura CB (salida) inversamente]. Para este ejemplo se han tomado los valores de Rin = 20 y Ro = 100K. Adems, si Vin = 20mV sen(t), RC = 2,7K y = 0,99, se tendr

FIG U R A

3 .1 4


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iC = 0,99 mA sen(t)

entonces,

VC = RCiC = 2,7K x 0,99mA sen(t) = 2,67V sen(t) = VO la ganancia de voltaje es

Los valores para amplificacin de voltaje en B-comn varan entre 50 y 300. La amplificacin de corriente (Ai = io/iin = ic/ie) siempre ser menor que la unidad, aunque muy prxima a ella. La accin bsica de amplificacin se produce al transferir una corriente I desde un circuito de baja resistencia a uno de alta, de ah el nombre transistor. TRANSfer + resISTOR = TRANSISTOR Problema relacionado.- Si en el problema anterior, se cambia el valor de RC a 2,2K, Determine la ganancia del amplificador Base-comn. Configuracin de Emisor-comn.- La configuracin en Emisor-comn (E-c) es la que se encuentra con mayor frecuencia. Una vez ms se necesitan 2-conjuntos de caractersticas para describir de forma completa el comportamiento de esta configuracin, una para la entrada o circuito de Base y otra para la salida o circuito de Colector.

FIG U R A

3 .1 5


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Caractersticas de Entrada.- Las caractersticas de entrada se grafican tomando IB en funcin del VBE, para diferentes valores de VCE, fig. 3.16. En esta nueva configuracin, todava se cumplen las relaciones

Se observa que las caractersticas de entrada son similares a las de la configuracin B-comn. Por tanto, se pueden hacer las mismas aproximaciones y asumir que para cualquier corriente de Base IB mayor que 0, se cumplir que VBE = V.

FIG U R A

3 .1 6

FIG U R A

3 .1 7

Caractersticas de Salida.- Muestran IC en funcin de VCE para diferentes valores de IB. IB es del orden de los A, mientras que IC es del orden de los mA. Las curvas de IB no son tan horizontales como las que se observaron para IE [configuracin de B-c], esto indica que VCE afecta a IC. La regin activa normal [o regin de amplificacin lineal] para la configuracin E-comn, comprende la regin de las curvas correspondiente a IB que son casi lneas rectas y se encuentran igualmente espaciadas. La regin a la izquierda de VCE corresponde a la regin de saturacin.


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FIG U R A

3 .1 8

En la regin activa normal de un amplificador E-comn la juntura B-E est polarizada directamente, y la juntura B-C est polarizada inversamente. Son las mismas condiciones que se indicaron para la regin activa en B-comn. La regin de corte del transistor en E-comn no est bien definida como en el caso B-comn. Obsrvese que IC no es 0 cuando IB = 0. En B-comn, cuando IE = 0, IC = ICBO . 0.

de donde

Para el caso en que

se tiene

si DC = 0,99, entonces


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Para una ICBO = 1A, IC = 100A, cuando IB = 0. A la ecuacin de IC, cuando IB = 0 se la denomina ICEO y es igual a

FIG U R A

3 .1 9

LA R E G I N P O R D E B A J O D E I B = 0 , D E B E EV ITA R S E S I SE N ECESITA UN A SA LID A SIN D ISTO RSI N .

Las regiones de corte y saturacin se emplean grandemente en la circuitera lgica de los computadores. Idealmente, en la regin de corte IC . 0, para transistores de silicio. En el caso de transistores de germanio, es necesario que la juntura BE est polarizada inversamente. Esta es una de las razones por las que se utiliza silicio en vez de germanio. De modo que la ecuacin de IC quedara como

Factor Beta [ DC ].- A la relacin DC/(1 - DC) se la denomina factor DC. Por tanto

o lo que es lo mismo

Algunos valores de DC pueden ser tan bajos como 10 o tan altos como 1000. Conforme aumenta, el porcentaje de corriente de Emisor que alcanza el Colector tambin aumenta, entonces, cuando aumenta, tambin aumenta . Otra forma de escribir la corriente del Colector es

Para muchas aplicaciones prcticas se puede considerar que ICEO es cero, por tanto

Es decir:

es la relacin entre las corrientes de Colector y de Base. PuestoCarlos Novillo Montero Can


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que IC es la corriente de salida e IB es la de entrada, entonces vendra a ser la ganancia de corriente del transistor en E-comn. Nuevamente: IE = IC + ICEO + IB, entonces, IE = IB + ICEO + IB, de donde

Como siempre, ICEO puede despreciarse, excepto a temperaturas elevadas que incrementan las corrientes de fuga en el semiconductor. Ejemplo: Un transistor tiene un = 100, IB = 20A, determine IC e IE. IC . IB = 100 x 20A = 2mA. IE . ( + 1)IB = 101 x 20A = 2,02mA Del resultado puede deducirse que IE . IC. En muchas aplicaciones prcticas [y cuando lo amerite el caso] se utilizar esta relacin. Ejemplo: Un transistor opera en la regin activa normal y tiene una corriente IB = 0.12mA que genera una corriente IC de 19,5mA. Qu corriente IC resulta para una IB = 0.15mA?

asumiendo que se mantiene constante [independiente del valor de IB], se tiene IC = 162,5 X 0,15mA = 24,38mA Ejemplo: En el circuito de la fig. 3.20 se utiliza un transistor de silicio con los siguientes parmetros VBB = 10V, RB = 220K. Determinar IB. Si = 100, calcular IC e IE.

FIG U R A

3 .2 0


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IC = 100x 42,73A = 4,27ma; IE = 101x 42,73A = 4,32ma

Anlisis por Recta de Carga.- La carga aplicada normalmente tendrun efecto importante sobre el punto o regin de trabajo del transistor. Si el anlisis se realiza de manera grfica, puede trazarse una lnea sobre las caractersticas de salida del dispositivo, esta lnea representa la carga aplicada. La interseccin de la lnea de carga con las curvas caractersticas determinar el punto de operacin del sistema. En la malla de salida del circuito de la fig. 3.20 se puede deducir que

A esta ecuacin se la conoce con el nombre de lnea o recta de carga esttica [DC], puesto que VCC y RC son constantes, entonces, IC representa el eje-Y y VC [VCE] representa el eje-X. De aqu se tiene

que tiene la forma matemtica

y = mx + b, donde m = pendiente de la recta y b = punto de interseccin con el eje-Y. Mediante la ecuacin de IC, podemos determinar los puntos de cruce con el eje-X y con el eje-Y. Cuando IC = 0, se tiene

y cuando VC = VCE = 0, entonces


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FIG U R A

3 .2 1

Ejemplo.- Para el circuito de la fig. 3.22 se tienen los siguientes parmetros: VCC = 12V, RC = 1K e IB = 50A. Determinar: IC, VCE y VRC y el . Utilice las curvas caractersticas de salida que se muestran en la fig. 3.23.

FIG U R A

3 .2 2

FIG U R A

3 .2 3

Para determinar la recta de carga se tienen las siguientes relaciones Cuando IC = 0, entonces VCE = VCC = 12V. Cuando VCE = 0, entonces IC = VCC/RC = 12V/1K = 12mA, con estos valores se traza la recta de carga. De las curvas caractersticas, y una vez trazada la recta de carga, para IB = 50A y la interseccin con la recta, se tiene que ICQ = 5mA VC = VCEQ = 7V = 5mA/50A = 100 VRC = 5V

La potencia que disipa el transistor esCarlos Novillo Montero Can


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Saturacin.- Al aumentar IB se aumenta IC, mientras que VC = VCE disminuye,de esta manera se llega a un punto en que al aumentar IB, la corriente IC ya no puede incrementarse ms, este es el punto de saturacin del transistor, en consecuencia ya no se mantiene constante. VCE disminuye y se hace aproximadamente igual a cero. Para material de silicio

FIG U R A

3 .2 4

Resumen de la Configuracin en Emisor-ComnR eg in d e O p eracin C O R TE A C T IV A IB En tra d a 0 0 < IB < IB < S A T > IB $ IB < S A T > SA TU R A CI N IC S alid a 0 IC = D C IB IC = IC < S A T > VCE . 0 VCE S alid a VCE = VCC 0 < VC E< VC C

Configuracin de Colector-comn [Emisor-Seguidor].- Las figs. 3.25a) y b) muestran esta configuracin para transistores NPN y PNP.


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FIG U R A

3 .2 5

a)

b)

Se emplea fundamentalmente para propsitos de acoplamiento de impedancias, ya que tiene una elevada impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, que es lo opuesto a las configuraciones de Basey Emisor-comn. Desde el punto de vista de diseo, no es necesario determinar otras caractersticas de entrada/salida para la configuracin C-comn. Para propsitos prcticos, las caractersticas de salida de C-comn son las mismas que las de E-comn. En las caractersticas de C-comn los parmetros que intervienen son IE en funcin de VEC, para diferentes valores de IB. De manera que, la corriente de entrada es la misma que para E-comn y en C-comn; para el eje de voltaje, simplemente se cambia el signo y hay un cambio casi imperceptible en el eje de la corriente IE por IC, puesto que IE . IC. Resumen de Configuraciones.

Base-com n.- G a na ncia d e volta je. Im p ed a ncia de en tra d a b aja . Im p ed a ncia d e salid a alta

Em isor-com n.- G a na ncia s d e volta je y corriente . Im p ed encia d e entra d a b a ja. Im p ed a ncia d e sa lida b a ja


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Colector-com n.- G a na ncia d e co rrie n te . Im p e d a n c ia de en tra d a alta . Im p ed a ncia d e sa lida b a ja

Em isor-seg uid or.- El m ism o C ole ctor-com n

FIG U R A 3.2 6

Lmites de Operacin del Transistor.- Para cada transistor existe una regin de operacin sobre las caractersticas de salida que asegura que no se excedan los valores nominales mximos, para que la seal de salida presente una distorsin mnima. Los lmites de operacin se definen mediante valores mximos dados por el fabricante para cada tipo de transistor. Entre otros parmetros importantes se tienen: PCmax, ICmax y VCEmax. Como ejemplo se ha utilizado un transistor NPN de silicio [2N3904] que tiene las siguientes caractersticas: IC [continua] = 200mA; VCEo = 40V(min); (min) = 100, 300(max) [IC . 10mA]; P [continua] = 600mW(TI). La fig. 3.27 muestra la regin de lmites de trabajo para el transistor indicado. Los parmetros indicados para el transistor 2N3904, son del fabricante Texas Instruments [TI] que difieren un poco de los que indican las organizaciones internacionales, por ejemplo, para la potencia de disipacin continua se tienen los siguientes datos.V C E [V] 3 5 6 10 15 30 40 I C [m A ] 200 120 100 60 40 20 15

Cuando no estn disponibles las curvas caractersticas, [o no existe la hoja de especificaciones], el diseador debe estar seguro de que IC, VCE y PC = ICAVCE caigan dentro de la regin definida por las siguientes ecuaciones.


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FIG U R A

3 .2 7

Para B-comn, la disipacin de potencia se define como

Polarizacin DC del TransistorPara el anlisis o el diseo de un amplificador que usa transistores, se requiere del conocimiento de la respuesta del sistema tanto DC como ac. La ganancia de corriente, de voltaje o ambas [ganancia de potencia] depende completamente de las fuentes DC utilizadas. El anlisis o el diseo de cualquier amplificador electrnico tiene dos partes: DC y ac. De manera que podemos hacer uso del teorema de superposicin. Sin embargo, se debe tener presente que durante la etapa de diseo [sntesis], la seleccin de los parmetros para niveles DC requeridos afectarn la respuesta ac y viceversa. Cada diseo tambin determinarla estabilidad del sistema, es decir, que tan sensible es el sistema a las variaciones de temperatura o de otros parmetros del transistor.

Punto Quiescente [Q] (del latn fijo, o inmvil).- Es el punto de operacin fijo sobre las caractersticas y define la regin que seCarlos Novillo Montero Can

P O LA R IZ A CI N D EL B J T

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emplear para la amplificacin de la seal aplicada. Q es un punto fijo sobre las caractersticas alrededor del cual variar la seal alterna de entrada. El siguiente es un resumen de las ecuaciones que se utilizarn en el anlisis y el diseo de las configuraciones bsicas. As mismo, la polarizacin de las junturas del transistor para las diferentes regiones de las curvas caractersticas es

1ra.-

2da.-

3ra.-

Operacin en la regin normal Juntura B-E con polarizacin directa Juntura B-C con polarizacin inversa Operacin en la regin de corte Juntura B-E con polarizacin inversa Juntura B-C con polarizacin inversa Operacin en la regin de saturacin Juntura B-E con polarizacin directa Juntura B-C con polarizacin directa

Conviene indicar que existen diferentes formas de polarizar al transistor, cada una de ellas es conveniente para una aplicacin particular. Aqu se estudiarn las ms comunes. Adems, estas formas de polarizacin pueden utilizarse con cualquiera de las 3configuraciones. Polarizacin con dos Fuentes DC.- La fig. 3.28 a) muestra este tipo de circuito, utiliza una fuente DC para polarizar la Base y otra para el Colector. Por esta razn no es muy prctico, sin embargo, conviene analizarlo para su conocimiento.

FIG U R A

3 .2 8

En primer lugar se analizar la malla de entrada o de Base mediante el circuito de la fig. 3.28 b). En esta malla, el voltaje VRB, que cae sobre la resistencia de la Base, es VRB = VBB - VBE = IB x RB, por tanto, la corriente de la Base esCarlos Novillo Montero Can


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En la malla de salida, fig. 3.28 c), la corriente IC, se determina en funcin de IB y del del transistor. IC = IB, y la ecuacin de la malla de salida es VCC = IC RC + VCE, o VCE = VCC - IC RC El voltaje VBC se lo calcula de la siguiente manera. VBC = VB - VC, en este caso, VB = VBE y VC = VCE, por tanto VBC = VBE - VCE. Ejemplo.- Para el circuito de la fig. 3.28 a), se tienen los siguientes datos: VBB = 5V; RB = 56K; VCC = 12V; RC = 1,5K y = 50. Determinar: VRB, IB, IC, VCE y VBC. VRB = 5V - 0,6V = 4,4V

IC = 50 x 78,57A = 3,93mA VCE = 12V - 3,93mA x 1,5K = 6,1V VBC = 0,6V - 6,1V = -5,5V De los resultados obtenidos se deduce que el transistor est polarizado en la regin activa normal. Polarizacin Fija o de Base.- El circuito que se muestra en la fig. 3.29 a) es un amplificador que usa la denominada polarizacin fija o de Base. [Para DC, los capacitores se comportan como circuitos abiertos].


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FIG U R A

3 .2 9

Circuito de Entrada (Malla B-E).- Las figs. 3.29 b) y c), muestran la malla de entrada; en ellas se observa que

de donde

VCC y VBE son constantes, por tanto, RB determina la cantidad de corriente que circula por la Base del transistor para el punto de operacin. Circuito de Salida (Malla C-E).- La corriente de Colector se obtiene de la corriente de Base.

IC = IB

En la ecuacin de IC se observa que es muy dependiente de , esto hace que IC sea muy vulnerable a las variaciones de temperatura. La ecuacin de la recta de carga es de donde VCE = VCC - ICRC

FIG U R A

3 .3 0

Ejemplo: Para el circuito de la fig. 3.31 a) , se tienen los siguientes datos: VCC = 12V, = 50, RB = 220K, RC = 2,2K. Determinar: IB, ICQ, VB, VC, VCEQ y VBC.


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FIG U R A

2 .3 1

ICQ = 50 X 51,82A = 2,59mA, VB = VBE = 0,6V VC = VCEQ = 12V - 2,59 X 2,2K = 6,3V VBC = VB - VE = 0,6V - 6,3V = -5,7V Puesto que VBC es negativo, la juntura B-C est polarizada inversamente, esto implica que el transistor se encuentra en la regin activa normal. Ejemplo: Repita el problema del ejemplo anterior, pero con = 75. Compare los resultados. La corriente IB es la misma, entonces IB = 51,82A ICQ = 75 X 51,2A = 3,89mA VB = 0,6V VC = VCEQ = 12V - 3,89mA X 2,2K = 3,45V VBC = 0,6V - 3,45V = -2,85V Porcentaje de variacin de ICQ y de VCEQ

Del anlisis de los resultados se deduce que la variacin de los parmetros ICQ y VECQ es muy dependiente de , casi en el mismo porcentaje. Saturacin del Transistor.- La saturacin del transistor se da cuando la corriente de Colector es muy alta, en cuyo caso el voltaje Colector-Emisor es muy pequeo [0,2V para silicio y 0,1V para germanio].FIG U R A 3 .3 2


Can


- 1 88 -

Por esta razn, en aplicaciones de amplificacin lineal, hay que evitar la condicin de saturacin porque la seal de salida amplificada se distorsiona. Clculo de la Corriente IC de Saturacin: Cuando VCE . 0, se llega a la saturacin del transistor, entonces, VRC . VCC. Por tanto,

Una vez conocida la corriente IC, se tendr una idea de la mxima corriente de Colector para el diseo elegido y el nivel bajo el cual permanecer, si se requiere una amplificacin lineal. Ejemplo.- Para los dos ejemplo anteriores, determine IC y cuales seran las corrientes IB respectivas.

1. IB, cuando = 50,

Una corriente IB mayor o al menos igual a 109A, har que el transistor se sature. 2. IB, cuando = 75,

Recta de Carga Esttica.- Ahora se estudiar cmo los otros parmetros de la red definen el posible rango de puntos Q y cmo se determina el punto Q real. Para el circuito de la fig. 3.33, la salida relaciona las variables IC y VC [VCE], mediante la ecuacin de la recta de carga. Puesto que se trata de parmetros de polarizacin, esta es una recta de carga esttica o DC.


Can


- 1 89 -

FIG U R A

3 .3 3

cuyos puntos de interseccin con los ejes VCE e IC, respectivamente, son

Entonces, se tiene una ecuacin de laFIG U R A 3 .3 4 red de salida y un conjunto de caractersticas que utilizan las mismas variables. Cuando estos parmetros cambian, necesariamente afectan el punto de trabajo Q, como se muestra en los siguientes anlisis. En otras palabras, la interseccin de la corriente de Base de las curvas caractersticas con la recta de carga, genera el punto Q, que a su vez proporciona la corriente de Colector [ICQ], el voltaje de Colector [VC = VCE] y el voltaje en la resistencia de Colector [ICRC], fig. 3.34. Cambios en RB.- Cuando IB se incrementa, debido a variaciones de RB [VBB = constante], el punto Q se aproxima hacia la regin de saturacin. Como se ve en la fig. 3.35, donde


Can


- 1 90 -

FIG U R A

3 .3 5

IB1 < IB2 < IB3 RB1 > RB2 > RB3 Cambios en RC.- Cuando se vara RC [VCC = constante, lo mismo que IB], puede verse que cuando RC se hace ms grande, el punto Q se aproxima a la regin de saturacin. Como se muestra en la fig. 3.36, donde RC1 < RC2 < RC3 Cambios en VCC.- Cuando IB se mantiene constante al igual que RC, pero VCC es el parmetro que FIG U R A 3 .3 6 cambia, los resultados se muestran en la fig. 3.37. Cuando VCC se hace ms pequeo, el punto Q se aproxima a la regin de saturacin. Para este grfico se tiene

FIG U R A

3 .3 7

VCC1 < VCC2 < VCC3


Can


- 1 91 -

De los anlisis realizados, puede deducirse que el punto Q puede variar por mltiples causas. Lo deseable es que el punto Q sea lo ms estable posible, a pesar de las variaciones de los parmetros involucrados.

Polarizacin Estabilizada por EmisorComo se mencion, cuando se trata de amplificadores, es necesario que el punto Q sea inmune a los cambios en la ganancia de corriente. Una forma de conseguir la estabilizacin es incluir una resistencia en el Emisor como se muestra en la fig. 3.38.

FIG U R A

3 .3 8

Malla Base-Emisor.- La fig. 3.39 muestra de otra forma esta malla. Mediante las leyes de Kirchhoff se tiene lo siguiente

FIG U R A

3 .3 9

Pero IE = ( + 1)IB , entonces (1) Resolviendo para IB se tiene

Al estudiar la ec. (1), se puede desarrollar el circuito equivalente,Carlos Novillo Montero Can


- 1 92 -

para la malla B-E, que se muestra en la fig. 3.40. Donde

FIG U R A

3 .4 0

Ecuacin que resulta muy til en el anlisis y diseo de amplificadores con transistor. Si se calcula la corriente IB, en el circuito equivalente, se tiene el mismo resultado que antes. Esto significa que desde el lado de la Base del transistor, la resistencia de Emisor se ha reflejado a la entrada multiplicada por un factor ( + 1). En otras palabras, la resistencia de Emisor, que es parte de la malla C-E, aparece como ( + 1)RE en la malla B-E. Se puede decir que Zin-T = ( +1)RE, es la impedancia de entrada al transistor vista desde la Base [como se muestra en la fig. 3.40]. Malla de Salida o de Colector-Emisor.- La fig. 3.41 muestra la malla de salida.

FIG U R A

3 .4 1

Utilizando las ecuaciones de Kirchhoff, se obtiene , o tambin [Ecuacin de la Recta de Carga de Colector] Clculo de los voltajes: VE, VC y VB con respecto a tierra. [Ecuacin de la Recta de Carga de Emisor]


Can


- 1 93 -

Ejemplo.- Para el circuito de la fig. 3.42, se tiene que RC = 2,2K, RE = 1K, RB = 470K, CC = 10F, CE = 40F, CB = 10F, VCC = 18V y = 50. Determinar: IB, ICQ, VE, VB, VC, VCEQ y VBC.

FIG U R A

3 .4 2

ICQ = 50 X 33A = 1,67mA VE = 51 X 33A X 1K = 1,7V VB = 1,7V + 0,6V = 2,3V VC = 18V - 1,67mA X 2,2K = 14,33V VCEQ = VC - VE = 14,33V - 1,7V = 12,63V VBC = VB - VC = 2,3V - 14,33V = -12V El ltimo resultado indica que el transistor est polarizado en la regin activa normal. Demostracin de la Estabilidad de la Polarizacin de Emisor.- En el circuito de la fig. 3.43 se puede ver que

FIG U R A

3 .4 3


Can


- 1 94 -

VCC = IBRB + VBE + IERE pero IB = IE/( + 1), entonces

Resolviendo para IE se tiene

Cuando

se tendra que

Si, adems,

,

entonces

Sabemos que IC . IE, entonces se puede concluir que IC puede ser casi independiente del factor y de VBE, mientras se cumplan las condiciones indicadas. Por tanto, el punto Q no se ve afectado apreciablemente con las variaciones de estos parmetros; de este modo, la polarizacin de Emisor es capaz de proporcionar un punto quiescente razonablemente estable. Esto demuestra, a su vez, que ICQ es ms estable que en el caso de polarizacin fija. Rectas de Carga para el Circuito con Polarizacin Estabilizada de Emisor 1.Debido a que este circuito tiene una resistencia en el Colector y otra en el Emisor, entonces, existen dos rectas de carga: 1.2.; ;[Ecua cin d e la recta d e ca rga d el Colector] [Ecua cin d e la recta d e ca rga d el Em isor]

Esto se debe a que el Emisor ya no est puesto directamente a tierra. La fig. 3.44 muestra este efecto, adems se nota que las curvas caractersticas del Colector se han desplazado hacia la derecha un voltaje equivalente al del Emisor VE [en la figura R. E. E. = Recta de Carga Esttica de]. Los puntos que permiten trazar la recta de carga1 Ing eniero An tonio Caldern E.


Can


- 1 95 -

esttica de Colector son

Para la R. C. E. C.

FIG U R A

3 .4 4

y para la recta de carga esttica de Emisor

donde IE2 = IE es un valor arbitrario.

Ejemplo.- Para el circuito de la fig. 3.45, se tienen los siguientes datos RC = 1,5K, RE = 560, RB = 150K, CC = 10F, CE = 22F, CB = 10F, VCC = 12V y = 55. Utilizar el mtodo de recta de carga para determinar: IB, ICQ, VE, VB, VC, VCEQ y VBC.


Can


- 1 96 -

FIG U R A

3 .4 5

Clculo de la corriente de Base

Ecuacin de la recta de carga de Colector: , para esta ecuacin se determinan dos puntos de la recta.

Ecuacin de la recta de carga de Emisor: VE = 0,56K x IE, de donde

donde IE2 = IE es un valor arbitrario.


Can


- 1 97 -

FIG U R A

3 .4 6

De la figura 3.46 se tiene ICQ . 3,46mA; VE = 2V; VB . 2,6V; VC . 6,7V. Con estos valores se deduce que VCE = 6,7V - 2V = 4,7V; y VBC = 2,6V - 6,7V = -4,1V Saturacin del Transistor con Polarizacin de Emisor.- Se tiene que VCC . (RC + RE)IC + VCE La saturacin se da cuando: VCE . 0V, entonces: VCC = (RC + RE)IC, es decir

de aqu se deduce que

Este clculo indica el mnimo valor de IB que lleva a saturacin al transistor. Cualquier IB $ IB, har que el BJT se sature. Polarizacin del Transistor con Divisor de Voltaje.- En los circuitos deCarlos Novillo Montero Can


- 1 98 -

polarizacin precedentes, la corriente de polarizacin ICQ y el voltaje VCEQ eran una funcin del del transistor. Puesto que es sensible a la temperatura, y el valor real de normalmente no est bien definido, sera deseable desarrollar un circuito de polarizacin menos dependiente, de hecho independiente, del del transistor. El circuito que se muestra en la fig. 3.47, denominado polarizacin con divisor de voltaje es una forma de disminuir la dependencia del del transistor. Si los parmetros del circuito se escogen apropiadamente, los valores resultantes de ICQ y de VCEQ pueden llegar a ser prcticamente independientes de .

FIG U R A

3 .4 7

El circuito equivalente para el anlisis DC, se muestra en la fig. 3.48.

FIG U R A

3 .4 8

Existen dos formas de realizar el anlisis DC de este tipo de polarizacin: Exacto y aproximado. Anlisis Exacto.- Malla de entrada [B-E], para resolver el problema podemos hacer uso del teorema de Thevenin, como se indica en la fig. 3.49. La resistencia RTH es equivalente al paralelo de R1 y R2, fig. 3.50.


Can


- 1 99 -

FIG U R A

3 .4 9

e n

FIG U R A

3 .5 0

Mientras que VTH es equivalente al voltaje sobre R2 el divisor de voltaje [fig. 3.51].

entonces, de la fig. 3.52 se tieneFIG U R A 3 .5 1

VTH = RTH X IB + VBE + IERE Pero: , por tanto,

VTH = RTH X IB + VBE + ( +1)IBREFIG U R A 3 .5 2

de donde

Una vez que se conoce IB, las otras cantidades pueden encontrarse del mismo modo como se lo hizo para la polarizacin por Emisor. Es decir, IC = IB . IE por tanto, [Ecuacin de la recta de carga] de donde VCE = VCC - (RC + RE)IC

Ejemplo: Para el circuito de la fig. 3.53, se tienen los siguientesCarlos Novillo Montero Can


- 2 00 -

datos: R1 = 27K; R2 = 3,9K; RC = 1,8K; RE = 470; VCC = 20V; = 120; determine ICQ y VCEQ.

FIG U R A

3 .5 3

Mtodo exacto.-

por tanto,

ICQ = 120 X 31,92A = 3,83mA . IE;

de donde

VCEQ = 20V - 3,83mA(1,8K + 0,47K) = 11,31V Mtodo aproximado.- El circuito de entrada, de la configuracin con divisor de voltaje, puede representarse por medio de la red que se muestra en la fig. 3.54. Donde Zin-T es

FIG U R A

3 .5 4

Si Zin-T R2, por decir: Zin-T $ 10R2, entonces IB ser mucho menor que I2, es decirCarlos Novillo Montero Can


- 2 01 -

IB I2 y por tanto, I2 . I1. Por consiguiente, R1 y R2 forman un divisor de voltaje, y VB [que es igual a VR2] puede calcularse aproximadamente as

La condicin que definir si puede o no aplicarse el mtodo aproximado es Ecuacin que debe cumplirse estrictamente. una vez determinado VB, puede calcularse VE

de donde,

En la malla de salida se tiene , ecuacin de la recta de carga.

De donde Como puede observarse de los clculos y deducciones, no se utiliza el valor de , es decir, el punto-Q (determinado por ICQ y VCEQ) es, prcticamente, independiente del valor de . Ejemplo: Para el circuito de la fig. 3.55, se tienen los siguientes datos: R1 = 27K; R2 = 3,9K; RC = 1,8K; RE = 470; VCC = 20V; = 120; determine ICQ y VCEQ. Analice si es posible utilizar el mtodo aproximado.


Can


- 2 02 -

FIG U R A

3 .5 5

Mtodo aproximado.Zin-T = 121 x 0,47K = 56,87K 56,87K > 10 X 3,9K = 39K por esta razn, si se puede usar el mtodo aproximado. Entonces,

de donde

VE = 2,52V - 0,6V = 1,92V la corriente de Emisor, ser

por tanto, VCEQ = 20V - 4,1mA(1,8K + 0,47K) = 10,71V Anteriormente se analiz el mismo circuito mediante el mtodo exacto, a continuacin se hace una comparacin de los resultados. Para el clculo de la variacin de corriente de Colector se utilizar la siguiente relacin.


Can


- 2 03 -

Remplazando valores se tiene

De igual manera, para el clculo de la variacin de voltaje ColectorEmisor, se utiliza la siguiente relacin.

con los valores obtenidos, resulta

al ver los resultados se observa que el error cometido con el mtodo aproximado est dentro de los valores de tolerancia aceptados. Ejemplo.- Para el circuito de la fig. 3.56 se tienen los siguientes datos: RC = 820; RE = 220; R2 = 1,2K; VCC = 18V; VC = 12V. Determinar: IC ; V E ; V B ; R 1 .

FIG U R A

3 .5 6

VRC = 18V - 12V = 6V


Can


- 2 04 -

VE = 7,32mA x 0,22K = 1,6V VB = 1,6V + 0,6V = 2,2V

VR1 = 18V - 2,2V = 15,8V

y el valor normalizado sera

Ejemplo.- Para el circuito de la fig. 3.56 se tienen los siguientes datos: RC = 3,6K; RE = 1,5K; R1 = 10K; R2 = 2,2K; VCC = 20V; = 50 [100]. Determinar ICQ; VC; VE; VB; VCE; VBC.

[1,96mA] VC = 20V - 1,92mA x 3,6K = 13V VE = 1,92mA x 1,5K = 2,9V VB = 2,9V + 0,6V = 3,5V VCE = 13V - 2,9V = 10,1V VBC = 3,5V - 13V = -9,5VCarlos Novillo Montero

[12,94V]

[2,94V] [3,54V] [10,0V] [-9,4V]Can


- 2 05 -

Lo que demuestra la estabilidad del punto Q para grandes cambios de [100%]. Saturacin del Transistor.- La ecuacin resultante para determinar la saturacin [cuando VCE . 0V], es la misma que se obtuvo para polarizacin en la configuracin de Emisor comn.

Anlisis por Recta de Carga.- La similitud con el circuito de salida de la polarizacin por Emisor, resulta en las mismas intersecciones para la recta de carga para polarizacin con divisor de voltaje. La recta de carga tendr el mismo aspecto de antes [fig. 3.57]. Donde las ecuaciones de las rectas de carga son 1.2.; ; [Ecua cind e la recta d e ca rga d el Colector]

[Ecua cin d e la recta d e ca rga d el Em isor]

FIG U R A

3 .5 7

y los puntos para trazar las rectas son

Para el Colector

y para la recta de carga esttica de EmisorCarlos Novillo Montero Can


- 2 06 -

donde IE2 = IE es un valor arbitrario. Es recomendable que IE2 . ICQ. Polarizacin DC con Realimentacin de Voltaje.- Se puede obtener una mejor estabilidad del punto-Q de trabajo si se realiza una realimentacin desde el Colector hacia la Base mediante una resistencia, como se indica en la fig. 3.58.

FIG U R A

3 .5 8

Por este motivo, a este tipo de polarizacin, tambin se lo conoce como realimentacin de Colector. Aunque el punto-Q no es totalmente independiente de (incluso en condiciones aproximadas), la sensibilidad a los cambios del valor de o a las variaciones de temperatura, normalmente es menor que la que se encuentra para las configuraciones de polarizacin fija o de Emisor. Malla de Base-Emisor.- La fig. 3.59 muestra la malla de entrada (BaseColector). Del circuito se obtiene


Can


- 2 07 -

FIG U R A

3 .5 9

VCC = IERC + IBRB + VBE + IERE IE = ( + 1)IB VCC = IERC + IBRB + VBE + IERE VCC = IE(RC + RE) + IBRB + VBE VCC = ( + 1)IE(RC + RE) + IBRB + VBE de donde

El formato de IB es similar al de otros tipos de polarizacin estudiados antes. Malla de Colector-Emisor.- El circuito de salida y las ecuaciones de la malla se muestran a continuacin.

FIG U R A

3 .6 0


Can


- 2 08 -

Del grfico puede verse que IE . IC, entonces,

Que la misma que se obtuvo para las polarizaciones con divisor de voltaje y estabilizada por Emisor. Ejemplo.- a) Determine ICQ y VCE para la red de la fig. 3.61, en la que: VCC = 22V; RC = 9,1K; RB = 470K; RE = 9,1K y = 90.

FIG U R A

3 .6 1

de donde ICQ . 0,9mA y VCE = 5,33V b) Realice el mismo clculo con = 135. IB = 7,27A ICQ = 0,98mA VCE = 4,02V c) Determine el porcentaje de cambio en IC y en VCE. Emplee las siguientes relaciones.

Mediante el uso de estas ecuaciones se tiene


Can


- 2 09 -

Ejemplo.- a) Determine ICQ y VCE para la red de la fig. 3.62, en la que: VCC = 18V; RC = 3,3K; RB1 = 110K; RB2 = 91K; RE = 510 y = 75 [150].

FIG U R A

3 .6 2

IB ICQ VC VCE

= = = =

35,5A 2,66mA 9,22V 7,73V

Condicin de Saturacin.- La condicin de saturacin vuelve a darse cuando VCE . 0V, en cuyo caso

Ejemplo.- a) Determine la variacin de ICQ y VCE para la red de la fig. 3.63, en la que: VCC = 12V; RC = 4,7K; RB1 = Potencimetro de 1M; RB2 = 150K; RE = 3,3K y = 180.


Can


- 2 10 -

FIG U R A

3 .6 3

Variacin de VC 5,98V # VC # 8,31V

Aplicaciones no Lineales del Transistor .- Hasta ahora las aplicacionesdel transistor se han limitado a la regin activa normal (R. A. N.). Pero tambin se mencion que el transistor tiene aplicaciones especiales en las regiones de corte y saturacin. Estas son las aplicaciones no lineales del transistor, en las que el transistor o est en conduccin (ON) o est en corte (OFF). Ejemplo.- El circuito de la fig. 3.64 muestra una aplicacin no lineal del BJT.

FIG U R A

3 .6 4

Se utilizan dos fuentes de polarizacin: VBB = 5V y VCC = 5V. Disear el circuito para que se sature con una IC = 10mA cuando el interruptor est cerrado, asuma que = 25 para saturacin. El LED requiere 1,6V cuando est polarizado directamente.


Can


- 2 11 -

De los datos:

, por tanto RB = 10K

, entonces, RC = 330

Ejemplo.- El circuito de la fig. 3.65 muestra una forma de conectar el transistor para una aplicacin no lineal. Cuando el interruptor SW est abierto, la corriente de Base es 0 y el transistor est en corte, en este caso el LED no se enciende. Cuando el interruptor est cerrado, se cierra el circuito de la Base y el transistor conduce, la resistencia RC se disea de manera que el transistor entra en la regin de saturacin [generalmente entre 270 a 330], el LED se enciende. Este circuito tiene muchas aplicaciones especialmente en el campo de los Sistemas Digitales.

FIG U R A

3 .6 5

Ejemplo.- Aplicaciones comunes en el rea de Sistemas Digitales es en la implementacin de compuertas lgicas, por ejemplo la compuerta NOT [o compuerta inversora], con tecnologa TTL y salida Totem-Pole, que se muestra en la fig. 3.66.


Can


- 2 12 -

FIG U R A

3 .6 6

VA 0 5

VX 0 ,2 1 ,4

VY 0 0 ,7

VZ 4 ,8 1 ,6

Y = VO 3 ,4 0 ,2

Unida des V V

En este caso VCC = 5V, prcticamente todo los transistores trabajan en le regin de corte o en la saturacin, a excepcin del transistor Q3.C:\M YFiles\D isp ositivos\D E _Cp 3 .w p d ]

Revisin:

feb rero - 2 01 0


Can

Dispositivos Electrónicos - Novillo Carlos - Capítulo 3

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