PRÁCTICA 3

TRANSISTORES BIPOLARES:

POLARIZACIÓN Y GENERADORES DE CORRIENTE

1. OBJETIVO.

Se pretende que el alumno tome contacto, por primera vez en la mayor parte de los casos, con transistores bipolares, y que realice prácticamente las técnicas de polarización que debe de haber aprendido en la parte teórica de la asignatura correspondiente. Como aplicación realizará unos generadores de corriente constante.

2. INTRODUCCIÓN TEÓRICA

2.1. Ideas básicas sobre polarización de transistor es bipolares discretos.

Generalmente por polarizar un transistor se entiende el hacer que queden fijadas su tensión colector-emisor VCEQ y su corriente de colector (ICQ), es decir lo que se suele llamar el punto de trabajo. Debido a la dispersión de los valores de los parámetros que se da para cada tipo de transistor, en general, se trata de que el punto de trabajo (VCEQ, ICQ) quede fijado del modo más independiente posible del transistor particular utilizado o de las posibles variaciones de las características de dicho transistor con la temperatura o la potencia disipada.

Como el alumno sabe, existen tres posibles zonas de polarización con el transistor en directa, a saber:

• Zona activa: Caracterizada porque la intensidad de colector es controlada por la intensidad de base. En ella VCEQ > VCESAT , IC > 0.

• Zona de corte: Caracterizada porque la unión base-emisor queda polarizada en inverso, o con tensión directa muy baja (teóricamente 0V), de modo que IC = 0 y VC

=VCC .

• Zona de saturación: Caracterizada porque la unión base-colector queda polarizada en directo, de modo que la corriente de colector está limitada por el circuito exterior y no por IB y VCEQ = VCEsat≈ 0,4 V (transistor de silicio). En nuestro caso nos limitaremos a polarizar en zona activa.

En general, el circuito básico es el de la Fig. 3.1. En él se pretende fijar la corriente de emisor, fijando la tensión de base. Con ello quedaría prácticamente constante la corriente de colector y consecuentemente la tensión de colector.

R B2

B1R

I

I C

E

+V CC

I 1

I 2

RC

RE

I B

B

C

E

Figura 3. 1

Las ecuaciones que Vd. podrá comprobar fácilmente, serían:

CC C C CE E EV I R + V + I R= 3.1

Si β » 1, entonces IE ≈ IC y quedaría de (3.1)

Es decir, si se logra hacer I E independiente del transistor y además β >> 1, es posible fijar el punto de trabajo elegido (V CEQ, ICQ), de forma que no varíe frente a cambios de temperatura, sustitución de un transistor por otro, etc. (Fig. 3.2).

Q

V CEV CEQ

I C

I CQ

Figura 3. 2

Para hacer que IE sea fija hay que hacer que VE sea constante (pues VE = I E R E) Una forma de hacerlo sería fijar la tensión de base, pues:

E C B CI = I + I = I 1 + 1β

3.2

CE CC C E C CC E E CV V I ( R + R ) V I ( R + R )≅ ≅− − 3.3

B BE E BE E EV = V + V = V + I R 3.4

y si la variación de V BE es pequeña frente al valor de VB conseguiremos que V E sea constante (las variaciones de V BE pueden deberse a los efectos mencionados anteriormente.).

Para un transistor típico de silicio de pequeña potencia, trabajando con corrientes de colector habituales V BE puede variar entre 0,5 y 0,7 V, es decir V BE ≈ 0,6 ± 0,l V.

Por lo tanto

Si V B es mucho mayor que 0,1 V (p.e. > 2 V) resulta que las posibles fluctuaciones de VBE afectarán poco a V E, o lo que es lo mismo a IE.

La forma más sencilla de fijar V B es utilizar un divisor resistivo de la tensión de la fuente (R B1 y R B2).

Se puede comprobar que dicho divisor fija una tensión

siempre y cuando la corriente de base IB sea mucho menor que la que atraviesa las resistencias RB1 y RB2 es decir

Esta aproximación suele expresarse también de la forma

Para polarizar un transistor en zona activa según el esquema de la Fig. 3.1, y si no se exigen otras condiciones, una posible secuencia seria:

• Fije V CEQ e ICQ.

E BV V - ( 0,6 0,1 ) V= ± 3.5

BCC B

B BV = V R

R + R2

1 2

3.6

BE B

B

CC

B BI I

+ 1 V

R V

R + R= << ≈

β 2 1 2

3.7

β R ( R / / R )E B B>> 1 2 3.8

• Fije la tensión V B (que obviamente será menor que V CQ), de modo que V B >> 0,1V.

• Calcule V E y deduzca RE .

• Calcule RC, aplicando (3.3) ó (3.1), por ejemplo.

• Calcule RB1 y RB2, de modo que la ecuación (3.8) se cumpla para el valor más pequeño de β especificada para el transistor (un valor típico es 100).

2.2. Generadores de corriente.

Como habrá podido observar en el apartado anterior, la corriente de colector de un transistor no depende de VC, siempre y cuando el transistor no entre en saturación (V CE < 0,4 V ó V CB < 0). El transistor se comporta por tanto como un generador de corriente.

Lo anterior permite, una vez polarizado un transistor, el utilizar el colector del mismo como fuente de corriente (transistor pnp) o sumidero de la misma (transistor npn) (Fig. 3.3), cuyo valor es

Este tipo de montaje es muy utilizado en electrónica analógica.

R B2

B1R

+VCC

RE

B

+V CCI C

I C

R B2

B1R

-V CC

R E

I C VCC

I C +

-

-

3.3.a 3.3.b

Figura 3. 3

I = V RR + R

- 0,6 1

RCC B

B B E

2

1 2

3.9

2.3. Espejos de corriente.

La forma habitual de polarizar transistores en circuitos analógicos integrados es mediante los llamados “espejos de corriente” (current mirrors), según el esquema de la Fig. 3.4, en lugar de utilizar el esquema convencional de la Fig. 3.1, empleado con componentes discretos.

La razón de ello es que en circuitos integrados es más sencillo realizar un transistor adicional que dos resistencias, y además es posible obtener dos transistores de características prácticamente idénticas.

El circuito de la Fig. 3.4 es una aplicación directa de las ideas de polarización estudiadas anteriormente. La base de funcionamiento es conseguir que el transistor Q2 funcione como una fuente de corriente I2. Para ello se fija externamente la corriente I1. y, como se demostrará matemáticamente a continuación, se consigue que la corriente I2 sea casi igual a I1, siempre que los transistores sean idénticos.

I B1I B2

Q 1 Q 2

VBE1 VBE2

I B2I B1 +

I 2 I 1

I C1

Figura 3. 4

Se puede ver que el transistor Q2 , absorberá una corriente I2 tal que

Por otra parte, despreciando las corrientes de fuga y suponiendo iguales los transistores

2 CE

22I = I = I

+ 1 2

2

ββ 3.10

Si los transistores son iguales, I ES1 = IES2= I ES y β1 = β2 = β y, además, por estar unidas las bases y emisores entre sí, VEB1=VEB2=VEB

Por lo tanto:

Luego, si inyectamos una corriente I1 en el nudo formado por el colector y la base de Q1 y la base de Q2, haremos que aparezca una tensión VBE = VBE1 = VBE2. Ello provoca una corriente en el colector de Q 2 (si no está saturado) tal que:

Si β>>2 entonces I2 = I1.

En la Fig. 3.5 puede verse una fuente de corriente realizada con un espejo de corriente y una sola resistencia, que conectada a tierra fija la corriente I1.

E ESEBI = I

q Vk T

2 22exp

3.11

BES

2

EBI = I

+ 1

q Vk T

22 2

βexp

3.12

B BES EB

I = I = I + 1

q Vk T

2 1 βexp

3.13

1 C B B C B B

C2

I = I + I + I = I + 2 I = ( + 2 ) I =

= ( + 2 ) I = + 2

I

1 1 2 1

2

β

ββ

ββ

3.14

2 1I = + 2

Iβ

β 3.15

Q 1 Q 2

0,6 V

10 K Carga

+ 20 V

Figura 3. 5

Puede verse que por el colector de Q1 se le inyectan y le serían suministrados a la carga:

21 ImA 2 K 10

V 0,6 - 20I =≈

Ω= 3.16

Siempre y cuando esta carga no hiciera entrar a Q 2 en saturación, es decir mientras fuese menor de 10 K.