Diodos y transistores

CONTENIDO DETALLADO:

1.1 Introducción a los diodos y diodo ideal.

1.2 Materiales semiconductores tipo N y tipo P.

1.3 Curvas características (ideal, real y aproximadas) de un diodo.

1.4 Algunas imperfecciones del diodo y sus hojas de especificaciones.

1.5 El diodo Zener, el diodo emisor de luz (LED) y otros tipos de diodos.

1.6 Comportamiento de CC de un diodo.

1.7 El rectificador de media onda.

1.8 El rectificador de onda completa.

1.9 Recortadores y sujetadores.

1.10 Multiplicadores de voltaje.

2.1 Introducción al BJT y principios de construcción.

2.2 Configuración de base común.

2.3 Configuración de emisor común.

2.4 Configuración de colector común.

2.5 Límites de operación del transistor.

2.6 Hoja de especificaciones del transistor.

3.1 Punto de operación o punto Quiescente.

3.2 Circuito de polarización fija.

3.3 Circuito de polarización estabilizada de emisor.

3.4 Polarización con divisor de voltaje.

3.5 Diversas configuraciones de polarización.

3.6 Conmutación con transistores.

3.7 El transistor PNP

4.1 Amplificador en el dominio de CA.

4.2 Modelado del transistor BJT.

4.3 Parámetros importantes: Zi, Zo, Av, Ai, Vi, Vo, Ii, Io. (Redes de dos puertos).

4.4 El modelo re del transistor.

4.5 El modelo equivalente híbrido.

5.1 Polarización por divisor de voltaje.

5.2 Configuración de polarización de emisor para emisor común.

5.3 Configuración de emisor seguidor.

Apéndice al capítulo 5

6.1 Introducción al transistor de efecto de campo.

6.2 Construcción y características de los JFET.

6.3 Características de transferencia.

7.1 Configuración de polarización fija.

7.2 Configuración de autopolarización.

1.1 Introducción a los diodos y diodo ideal.

Las décadas que siguieron a la introducción del transistor en los años cuarenta han atestiguado un cambio sumamente drástico en la industria electrónica. La miniaturización que ha resultado nos maravilla cuando consideramos sus límites. En la actualidad se encuentran sistemas completos en una oblea miles de veces menor que el más sencillo elemento de las primeras redes. Las ventajas asociadas con los sistemas semiconductores en comparación con las redes con tubos de los años anteriores son , en su mayor parte, obvias: más pequeños y ligeros, no requieren calentamiento ni se producen pérdidas térmicas (lo que sí sucede en el caso de los tubos), una construcción más resistente y no necesitan un periodo de calentamiento.

La miniaturización de los últimos años ha producido sistemas semiconductores tan pequeños que el propósito principal de su encapsulado es proporcionar simplemente algunos medios para el manejo del dispositivo y para asegurar que las conexiones permanezcan fijas a la oblea del semiconductor. Tres factores limitan en apariencia los límites de la miniaturización: la calidad del propio material semiconductor, la técnica del diseño de la red y los límites del equipo de manufactura y procesamiento.

El primer dispositivo electrónico que se presentará se denomina diodo. Es el más sencillo de los dispositivos semiconductores pero desempeña un papel vital en los sistemas electrónicos, con sus características que se asemejan en gran medida a las de un sencillo interruptor. Se encontrará en una amplia gama de aplicaciones, que se extienden desde las simples hasta las sumamente complejas. Aparte de los detalles de su construcción y características, los datos y gráficas muy importantes que se encontrarán en las hojas de especificaciones también se estudiarán para asegurar el entendimiento de la terminología empleada y para poner de manifiesto la abundancia de información de la que por lo general se dispone y que proviene de los fabricantes.

Antes de examinar la construcción y características de un dispositivo real, consideremos primero un dispositivo ideal, para proporcionar una base comparativa. El diodo ideal es un dispositivo de dos terminales que tiene el símbolo y las características que se muestran en la figura 1.1a y b, respectivamente.

(a)

(b)

Figura 1.1 Diodo ideal: (a)símbolo; (b) característica.

En forma ideal, un diodo conducirá corriente en la dirección definida por la flecha en el símbolo y actuará como un circuito abierto para cualquier intento de establecer corriente en la dirección opuesta. En esencia:

Las características de un diodo ideal son las de un interruptor que puede conducir corriente en una sola dirección.

En la descripción de los elementos que sigue, un aspecto muy importante es la definición de los símbolos literales, las polaridades de voltaje y las direcciones de corriente. Si la polaridad del voltaje aplicado es consistente con la que se muestra en la figura 1.1.a, la parte de las características que se consideran en la figura 1.1.b, se encuentra a la derecha del eje vertical. Si se aplica un voltaje inverso, las características a la izquierda son pertinentes. En el caso de que la corriente a través del diodo tenga la dirección que se indica en la figura 1.1.a, la parte de las características que se considerará se encuentra por encima del eje horizontal, en tanto que invertir la dirección requerirá el empleo de las características por debajo del eje.

Uno de los parámetros importantes para el diodo es la resistencia en el punto o región de operación. Si consideramos la región definida por la dirección de ID y la polaridad de VD en la figura 1.1.a (cuadrante superior derecho de la figura 1.1.b), encontraremos que el valor de la resistencia directa RF, de acuerdo a como se define con la ley de Ohm es

 (corto circuito)

 donde VF es el voltaje de polarización directo a través del diodo e IF es la corriente en sentido directo a través del diodo.

El diodo ideal, por consiguiente, es un corto circuito para la región de conducción.

Si consideramos la región del potencial aplicado negativamente (tercer cuadrante) de la figura 1.1.b,

(circuito abierto)

donde VR es el voltaje de polarización inverso a través del diodo e IR es la corriente inversa en el diodo.

El diodo ideal, en consecuencia, es un circuito abierto en la región en la que no hay conducción.

 En síntesis, se aplican las condiciones que se describen en la figura 1.2.

Figura 1.2 Estados (a) de conducción y (b) de no conducción del diodo ideal.

 En general, es relativamente sencillo determinar si un diodo se encuentra en la región de conducción o en la de no conducción observando tan solo la dirección de la corriente ID establecida por el voltaje aplicado. Para el flujo convencional (opuesto al de los electrones), si la corriente resultante en el diodo tiene la misma dirección que la de la flecha del mismo elemento, éste opera en la región de conducción. Esto se representa en la figura 1.3a. Si la corriente resultante tiene la dirección opuesta, como se muestra en la figura 1.3b, el circuito abierto equivalente es el apropiado.

Figura 1.3 (a) Estado de conducción y (b) de no conducción del diodo ideal determinados por la dirección de corriente de la red aplicada.

Como se indicó con anterioridad, el propósito principal de esta sección es el de presentar las características de un dispositivo ideal para compararlas con las de las variedades comerciales.

1.2 Materiales semiconductores tipo N y tipo P.

Configuración Electrónica de los elementos Semiconductores:

Enlace covalente: En este tipo de enlace los electrones se comparten, pero no se transfieren. Un enlace covalente consiste en un par de electrones (de valencia) compartidos por dos átomos.

El método más sencillo para liberar los electrones de valencia ligados consiste en calentar e cristal. Los átomos efectúan oscilaciones cada vez más intensas que tienden a romper los enlaces y liberar así los electrones. Cuanto mayor sea la temperatura de un semiconductor, mejor podrá conducir.

Material Intrínseco

Cristal de Silicio

Material Intrínseco Tipo N

Cristal de Silicio "dopado" con átomos de Arsénico. Átomos "Donadores"

 Las impurezas difundidas con cinco electrones de valencia se denominan átomos donadores.

Los materiales tipo N se crean añadiendo elementos de impureza (átomos) que tengan cinco electrones de valencia, "Pentavalentes".

Material Extrínseco Tipo P

 Cristal de Silicio "Dopado" con átomos o impurezas de Galio. Átomos "Aceptores"

Las impurezas difundidas con tres electrones de valencia se denominan átomos aceptores.

Los materiales tipo P se crean añadiendo elementos de impurezas (átomos) que tengan tres electrones de valencia.

Por las razones antes expuestas, en un material tipo N el electrón se denomina portador mayoritario y el hueco, portador minoritario.

Cuando el quinto electrón (electrón sobrante) de un átomo donador abandona al átomo padre, el átomo que permanece adquiere una carga positiva neta: a éste se le conoce como ion donador y se representa con un circulo encerrando un signo positivo. Por razones similares, el signo negativo aparece en el ion aceptor.

Tipo N

ð Iones Donadores (Átomos de impurezas con 5 electrones).

- Portadores Mayoritarios.

+ Portador Minoritarios.

(Huecos generados cuando algunos electrones de átomos de silicio adquieren suficiente energía para romper el enlace covalente y convertirse en electrones libres y/o portadores Mayoritarios).

Tipo N

 Tipo P

ð - Iones Aceptores (Átomos de impurezas con 3 electrones).

+ Portadores Mayoritarios.

- Portadores minoritarios.

(electrones libres generados cuando estos adquieren suficiente energía para romper el enlace covalente, el hueco que dejan se convierte en portado mayoritario).

Tipo P

Diodo Semiconductor

El diodo semiconductor se forma uniendo los materiales tipo N y tipo P, los cuales deben estar construidos a partir del mismo material base, el cual puede ser Ge o Si.

Las dimensiones de los bloques de material tipo N y tipo P, así como las técnicas y tecnologías que se utilizan para unirlos no son parte de los objetivos del curso y por esa razón no se abordará el tema, si alguien desea saber un poco más de esto, puede consultar el capítulo 13, 20 y/o 21 del libro de texto.

Región de Agotamiento

En el momento en que dos materiales son unidos (uno tipo N y el otro tipo P), los electrones y los huecos que están en , o cerca de, la región de "unión", se combinan y esto da como resultado una carencia de portadores (tanto como mayoritarios como minoritarios) en la región cercana a la unión. Esta región de iones negativos y positivos descubiertos recibe el nombre de Región de Agotamiento por la ausencia de portadores.

Existen tres posibilidades al aplicar un voltaje a través de las terminales del diodo:

- No hay polarización (VD = 0 V).

- Polarización directa (VD > 0 V).

- Polarización inversa (VD < 0 V).

VD = 0 V. En condiciones sin polarización, los portadores minoritarios (huecos) en el material tipo N que se encuentran dentro de la región de agotamiento pasarán directamente al material tipo P y viceversa. En ausencia de un voltaje de polarización aplicado, el flujo neto de carga (corriente) en cualquier dirección es cero para un diodo semiconductor.

La aplicación de un voltaje positivo "presionará" a los electrones en el material tipo N y a los huecos en el material tipo P para recombinar con los iones de la frontera y reducir la anchura de la región de agotamiento hasta desaparecerla cuando VD ≥ 0.7 V para diodos de Silicio.

ID = Imayoritarios - IS

Condición de Polarización Inversa (VD < 0 V). Bajo esta condición el número de iones positivos descubiertos en la región de agotamiento del material tipo N aumentará debido al mayor número de electrones libres arrastrados hacia el potencial positivo del voltaje aplicado. El número de iones negativos descubiertos en el material tipo P también aumentará debido a los electrones inyectados por la terminal negativa, las cuales ocuparán los huecos.

El fenómeno explicado anteriormente, en ambos tipos de material N y P, provocará que la región de agotamiento se ensanche o crezca hasta establecer una barrera tan grande que los portadores mayoritarios no podrán superar, esto significa que la corriente ID del diodo será cero.

Sin embargo, el número de portadores minoritarios que estarán entrando a la región de agotamiento no cambiará, creando por lo tanto la corriente IS.

La corriente que existe bajo condiciones de polarización inversa se denomina corriente de saturación inversa, IS.

El término "saturación" proviene del hecho que alcanza su máximo nivel (se satura) en forma rápida y no cambia significativamente con el incremento en el potencial de polarización inversa, hasta que al valor VZ o VPI, voltaje pico inverso.

El máximo potencial de polarización inversa que puede aplicarse antes de entrar en la región Zener se denomina Voltaje Pico Inverso o VPI nominal.

Los diodos de silicio tienen generalmente valores nominales de VPI y de corriente más altos e intervalos de temperatura más amplios que los diodos de germanio.

1.3 Curvas características (ideal, real y aproximadas) de un diodo.

La curva de un diodo semiconductor (o diodo real) se puede definir por la siguiente ecuación:

  -------- K = 11,600/ð -------- ð ð 1 para Ge

TK = TC° + 273° ----------------------------------------------- ð ð ð para Si

Para un diodo de silicio la corriente de saturación inversa IS aumentará cerca del doble en magnitud por cada 10° C de incremento en la temperatura.

Debido a la forma que tiene la curva característica del diodo, mostrada anteriormente, y la forma compleja de la ecuación, con frecuencia se utiliza un modelo simplificado:

El modelo simplificado se puede utilizar siempre que la resistencia de la red y/o de los dispositivos junto a los cuales se conectará el diodo sea mucho mayor que la resistencia promedio del diodo rd, la cual se podría calcular como rd, en promedio, la resistencia de un diodo de pequeña señal es de 26ð. Red >> rd

1.4 Algunas imperfecciones del diodo y sus hojas de especificaciones.

Los dispositivos electrónicos (entre ellos los semiconductores) son sensibles a frecuencias muy elevadas. En los diodos se presentan dos efectos principales a altas frecuencias:

• Capacitancias parásitas de Transición y de Difusión.

• Tiempo de recuperación en Sentido Inverso.

En la región de polarización inversa se presenta principalmente la capacitancia de la región de agotamiento (CT), en tanto que en la de polarización directa se presenta principalmente la capacitancia de difusión o de almacenamiento (CD).

El tiempo de recuperación en sentido inverso se representa por trr. Cuando el diodo está polarizado directamente y el voltaje aplicado se invierte repentinamente, idealmente se debería observar que el diodo cambia en forma instantánea del estado de conducción al de no conducción. Sin embargo, debido a un número considerable de portadores minoritarios en cada material, el diodo se comportará como se muestra en la siguiente figura:

ts - Tiempo de almacenamiento. Tiempo requerido para que los portadores minoritarios regresen a su estado de portadores mayoritarios en el material opuesto.

tt - Intervalo de Transición. Tiempo requerido para que la corriente inversa se reduzca al nivel asociado con el estado de no conducción.

5ns ð trr ð 1 ðs en diodos de recuperación muy rápida (trr ð 150 Pseg.)

Hojas de especificaciones del diodo.

1. El voltaje directo VF (a una corriente u temperatura específica).

2. Máxima Corriente Directa IF (Temp. específica).

3. Corriente de Saturación Inversa IR (voltaje y temperatura específicos).

4. Voltaje inverso Nominal VPI o VBR (Temperatura).

5. Máximo nivel de disipación de Potencia PDmáx (Temperatura).

6. Capacitancias parásitas.

7. Tiempo de recuperación en sentido inverso trr.

8. Intervalo de temperatura de operación.

1.5 El diodo Zener, el diodo emisor de luz (LED) y otros tipos de diodos.

DIODOS ZENER

La corriente en la región Zener tiene una dirección opuesta a la d un diodo polarizado directamente.

El diodo Zener es un diodo que ha sido diseñado para trabajar en la región Zener.

De acuerdo con la definición, se puede decir que el diodo Zener ha sido diseñado para trabajar con voltajes negativos (con respecto a él mismo).

Es importante mencionar que la región Zener (en un diodo Zener) se controla o se manipula variando los niveles de dopado. Un incremento en el número de impurezas agregadas, disminuye el potencial o el voltaje de Zener VZ.

Así, se obtienen diodos Zener con potenciales o voltajes de Zener desde -1.8 V a -200 V y potencias de 1/4 a 50 W.

El diodo Zener se puede ver como un dispositivo el cual cuando ha alcanzado su potencial VZ se comporta como un corto. Es un "switch" o interruptor que se activa con VZ volts. Se aplica en reguladores de voltaje o en fuentes.

En el circuito que se muestra, se desea proteger la carga contra sobrevoltajes, el máximo voltaje que la carga puede soportar es 4.8 volts. Si se elige un diodo Zener cuyo VZ sea 4.8 volts, entonces este se activará cuando el voltaje en la carga sea 4.8 volts, protegiéndola de esta manera.

EL DIODO EMISOR DE LUZ (LED)

 El LED es un diodo que produce luz visible (o invisible, infrarroja) cuando se encuentra polarizado.

El voltaje de polarización de un LED varía desde 1.8 V hasta 2.5 V, y la corriente necesaria para que emita la luz va desde 8 mA hasta los 20 mA.

Principio de Funcionamiento:

En cualquier unión P-N polarizada directamente, dentro de la estructura y principalmente cerca de la unión, ocurre una recombinación de huecos y electrones (al paso de la corriente). Esta recombinación requiere que la energía que posee un electrón libre no ligado se transfiera a otro estado. En todas las uniones P-N una parte de esta energía se convierte en calor y otro tanto en fotones. En el Si y el Ge el mayor porcentaje se transforma en calor y la luz emitida es insignificante. Por esta razón se utiliza otro tipo de materiales para fabricar los LED's, como Fosfuro Arseniuro de de Galio (GaAsP) o fosfuro de Galio (GaP).

Otros diodos son:

• Diodos Schottky (Diodos de Barrera).

• Diodos Varactores o Varicap.

• Diodos Tunel.

• Fotodiodos.

• Diodos emisores de luz infrarroja.

• Diodo de inyección láser (ILD).

Los diodos emisores de luz se pueden conseguir en colores: verde, rojo, amarillo, ámbar, azul y algunos otros.

En este punto del curso vale la pena tomar en cuenta los siguiente comentarios:

- ¿ Qué tan válido es utilizar las aproximaciones ?

- ¿ Qué tan exacto puede ser un cálculo y/o una medición realizada en el laboratorio ?

Hay que tener en cuenta que las características obtenidas de las hojas de especificaciones pueden ser distintas para los diodos (p. e. 1N4001) aunque ambos hayan sido producidos en el mismo lote.

También hay que tener en cuenta otro tipo de tolerancias como los resistores, uno marcado de 100ð puede ser realmente de 98ð o de 102ð o tal vez si ser exacto, y una fuente "ajustada" a 10V puede estar ajustada realmente a 9.9V o a 10.1V o tal vez a 10V.

 1.6 Comportamiento de CC de un diodo.

ANÁLISIS POR RECTA DE CARGA

La carga o la resistencia de carga (RL o R) aplicada a un circuito, tendrá un efecto importante sobre el punto de región de operación de un dispositivo (en este caso el diodo).

Si se aplica la ley de voltajes de Kirchoff:

V - VD - VL = 0

V = VD + IDRL

Si se realiza un análisis en esta malla, de tal manera que pueda trazarse una línea recta sobre la curva de características del diodo, entonces la intersección de éstas representará el punto de operación de la red o punto Q.

Nótese que la recta de carga queda determinada en sus extremos por RL y V, de tal manera que representa las características de la red. Si se modifica el valor de V o de RL o de ambos, entonces la recta de carga cambiará también.

Los extremos de la recta de carga se obtienen buscando las intersecciones con los ejes (ID = 0 y después VD = 0):

Si VD = 0:

V = IDRL ó ID = V / RL

Si ID = 0:

V = VD ó VD = V

Como se mostró anteriormente, una línea recta trazada entre estos dos puntos define la recta de carga.

Es muy válido también utilizar para el diodo, en lugar de la curva real, la curva del modelo simplificado. En este caso, el punto Q no cambiará o cambiará muy poco.

Si en lugar del modelo simplificado se utilizara el modelo del diodo ideal, entonces sí cambiaría mucho el punto Q.

COMPORTAMIENTO DE CC DE UN DIODO

En esta sección se utilizará el modelo simplificado, o modelo aproximado del diodo para analizar el comportamiento en diversas configuraciones en serie y en paralelo con entradas de CD.

Para cada configuración o circuito debe determinarse primero el estado de cada diodo (Conducción o No Conducción). Después de determinar esto se puede poner en su lugar el equivalente adecuado y determinar los otros parámetros de la red.

En lo subsecuente, se utilizará el modelo simplificado, o modelo aproximado del diodo para analizar el comportamiento en diversas configuraciones en serie y en paralelo con entradas de CC (Corriente Continua, Corriente Directa).

A continuación se abordarán algunos puntos y conceptos a tomar en cuenta previos y para el análisis de un circuito con diodos:

1.- Un diodo estará en estado activo si VD = 0.7V para el Si y VD = 0.3 para el Ge.

2.- Para cada configuración o circuito debe determinarse primero el estado de cada diodo (conducción o no conducción).

3.- Después de verificar el punto anterior, en ocasiones es conveniente poner en lugar del diodo, el circuito equivalente adecuado y posteriormente determinar los otros parámetros de la red.

4.- Hay que tener en cuenta que:

• Un circuito abierto puede tener cualquier voltaje a través de sus terminales (hasta VPI en el caso de un diodo), pero la corriente siempre es cero (IS en el caso de un diodo, aunque IS ð 0).

• Un corto circuito tiene una caída de cero volts a través de sus terminales (0.7 volts para un diodo de Si, 0.3 volts para un diodo de Ge, 0 volts para un diodo ideal) y la corriente estará limitada por la red circundante.

En los diversos circuitos que se muestran a continuación, determine VD, ID y VR.

 1.-

Con V = 12 volts

Realizando la malla:

V - VT - VR = 0

12 - 0.7 - IR = 0

Despejando I de la ecuación anterior:

I = (12 - 0.7)/1.2 k = 9.42 mA

Si en el ejemplo anterior se invierte el diodo:

2.-

Con el diodo invertido la corriente por él

será cero (si se utiliza el modelo simplificado)

y entonces I = 0.

12 - VD - VR = 0, donde VR = IR = 0

VD = 12 volts

I = ID = 0 A

3.- 

En este caso, aunque la polaridad del voltaje de la

la fuente es adecuada para polarizar el diodo, el ni-

vel de voltaje es insuficiente para activar al diodo

de silicio y ponerlo en el estado de conducción.

De acuerdo con la gráfica ID = 0

0.4 - 0.4 - VR = 0

0.4 - 0.4 - IR = 0

I = 0 ð VR = 0

4.-

12 - VTSi - VTGe - IDR = 0 , si ID = I

12 - 0.7 - 0.3 - I (5.6k) = 0

I = 11V / 5.6k = 1.96 mA

VR = (1.96 mA)(5.6 k) = 11

Vo = VR = 11V

5.-

ð

6.-

V1 - VR1 - VD - VR2 + V2 = 0

10 - IR1 -0.7 - IR2 + 5 = 0

14.3 - I(R1 + R2) = 0

I = 14.3 / (4.7k + 2.2k) = 2.1 mA

Vo = VR2 - V2 = (4.56 - 5)v = -0.44v

VR2 = (2.1 mA)(2.2k) = 4.56v

7.-

10 - VR - 0.7 = 0

10 - (I)(R) - 0.7 = 0

I = 9.3 / 3.3k = 2.8 mA

VR = (I)(R) = (2.8m)(3.3k) = 9.3 v

8.-

9.-

10.-

-VR2 + 20 - VD1 - VD2 = 0

1.7 El rectificador de media onda.

El Vprom o Vcd de esta señal rectificada es:

, pero ð ð ððf y f = 1/T

Si Vm es mucho mayor que VT ð Vcd ð 0.318Vm

Vpp = Valor pico a pico = 2Vp

Vp = Valor pico

Vpromedio = 0

Ejemplo: Dibuje la salida Vo y calcule el nivel de cd para la siguiente red.

a) con Vi = 20 sen ðt volts y con diodo ideal.

Con el diodo conectado de esta manera, éste conducirá únicamente en la parte negativa de Vi.

Vcd = -0.318Vm = -0.318(20)

Vcd = -6.36 volts

b)Repita el inciso anterior si el diodo se sustituye por uno de silicio.

Vcd = - 0.318(Vm - VT)

Vcd = - 0.318(20 -0.7)

Vcd = - 6.14V

c) Repita el inciso a) si el diodo ideal se sustituye por uno de silicio y Vi = 179.6 sen ðt volts.

d) Repita el inciso anterior con diodo ideal.

El voltaje pico inverso del diodo es de fundamental importancia en el diseño de sistemas de rectificación.

El VPI del diodo no debe excederse (Vm < VPI) ya que de lo contrario, el diodo entraría en la región de avalancha o región Zener.

La mayor parte de los circuitos electrónicos necesitan un voltaje de c.d. para trabajar. Debido a que el voltaje de línea es alterno, lo primero que debe hacerse en cualquier equipo electrónico es convertir o "rectificar" el voltaje de alterna (c.a.) en uno de directa (c.d.).

La tarea de la "fuente" o fuente de alimentación de cualquier equipo o aparato electrónico es obtener el o los niveles adecuados de c.d. a partir del voltaje de linea (127 VRMS).

El transformador es un dispositivo que se utiliza para elevar o reducir el voltaje de CA, según como sea necesario.

donde:

V1 = Voltaje en el devanado primario

V2 = Voltaje en el devanado secundario

N1 = # de vueltas en devanado primario

N2 = # de vueltas en el devanado secundario

P.e. Si la razón de vueltas es 6:1 y Vin es el voltaje de la línea:

1.8 El rectificador de onda completa (R.O.C.)

Se conocen y se utilizan dos configuraciones para rectificadores de onda completa. La primera de ellas es el "Puente" rectificador de onda completa:

Rectificador de onda completa utilizando Transformador con Derivación Central

 Para diodos reales: Vprom = Vcd = 0.636 (Vm-VT)

Para cada diodo: VPI ≥ 2Vm

2.1 Introducción al BJT y principios de construcción.

Durante el periodo 1904-1947, el tubo de vacío fue sin duda el dispositivo electrónico de interés y desarrollo. En 1904, el diodo de tubo de vacío fue introducido por J. A. Fleming. Poco después, en 1906, Lee, De Forest agregó un tercer elemento, denominado rejilla de control, al tubo de vacío, lo que originó el primer amplificador: el triodo. En los años siguientes, la radio y la televisión brindaron un gran impulso a la industria de tubos electrónicos. La producción aumentó de cerca de 1 millón de tubos en 1922 hasta aproximadamente 100 millones en 1937. A principios de la década de los treinta el tétrodo de cuatro elementos y el péntodo de cinco elementos se distinguieron en la industria de tubos electrónicos. Durante los años subsecuentes, la industria se convirtió en una de primera importancia y se lograron avances rápidos en el diseño, las técnicas de manufactura, las aplicaciones de alta potencia y alta frecuencia y la miniaturización.

Sin embargo, el 23 de diciembre de 1947 la industria electrónica atestiguó el advenimiento de una dirección de interés y desarrollo completamente nueva. Fue en el transcurso de la tarde de ese día que Walter H. Brattain y John Bardeen demostraron el efecto amplificador del primer transistor en los Bell Telephone Laboratorios. El transistor original (un transistor de punto de contacto) se muestra en la figura 3.1. De inmediato, las ventajas de este dispositivo de estado sólido de tres terminales sobre el tubo electrónico fueron evidentes: era más pequeño y ligero; no tenía requerimientos de filamentos o pérdidas térmicas; ofrecía una construcción de mayor resistencia y resultaba más eficiente porque el propio dispositivo absorbía menos potencia; instantáneamente estaba listo para utilizarse, sin requerir un periodo de calentamiento; además, eran posibles voltajes de operación más bajos. Obsérvese en la presentación anterior que este capítulo es nuestro primer estudio de dispositivos con tres o más terminales. El lector descubrirá que todos los amplificadores (dispositivos que incrementan el nivel de voltaje, corriente o potencia) tendrán al menos tres terminales con una de ellas controlando el flujo entre las otras dos.

Figura 3.1 El primer transistor.

CONSTRUCCION DEL TRANSISTOR

El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas, compuesto ya sea de dos capas de material tipo n y una de tipo p o dos capas de material tipo p y una de tipo n. El primero se denomina transistor npn, en tanto que el último recibe el nombre de transistor pnp. Ambos se muestran en la figura 3.2 con la polarización de cd adecuada. En el capítulo 3 encontraremos que la polarización de cd es necesaria para establecer una región de operación apropiada para la amplificación de ca. Las capas exteriores del transistor son materiales semiconductores con altos niveles de dopado, y que tienen anchos mucho mayores que los correspondientes al material emparedado de tipo p o n. En los transistores que se muestran en la figura 3.2, la relación entre el ancho total y el de la capa central es de 0.150/0.001 = 150:1. El dopado de la capa emparedada es también considerablemente menor que el de las capas exteriores (por lo general de 10:1 o menos). Este menor nivel de dopado reduce la conductividad (incrementa la resistencia) de este material al limitar el número de portadores "libres".

En la polarización que se muestra en la figura 3.2, las terminales se han indicado mediante letras mayúsculas, E para el emisor, C para el colector y B para la base. Una justificación respecto a la elección de esta notación se presentará cuando estudiemos la operación básica del transistor. La abreviatura BJT (bipolar junction transistor = transistor de unión bipolar) se aplica a menudo a este dispositivo de tres terminales. El término bipolar refleja el hecho de que los electrones y los huecos participan en el proceso de inyección en el material polarizado opuestamente. Si sólo uno de los portadores se emplea (electrón o hueco), se considera que el dispositivo es unipolar.

Figura 3.2 Tipos de transistores: (a) pnp; (b) npn.

OPERACION DEL TRANSISTOR

La operación básica del transistor se describirá ahora empleando el transistor pnp de la figura 3.2a. La operación del transistor npn es exactamente igual si se intercambian los papeles que desempeñan los electrones y los huecos. En la figura 3.3 se ha redibujado el transistor pnp sin la polarización base a colector. Nótense las similitudes entre esta situación y la del diodo polarizado directamente en el capítulo 1. El ancho de la región de agotamiento se ha reducido debido a la polarización aplicada, lo que produce un denso flujo de portadores mayoritarios del material tipo p al tipo n.

Figura 3.3 Unión polarizada directamente de un transistor pnp.

Eliminaremos ahora la polarización base a emisor del transistor pnp de la figura 3.2a como se indica en la figura 3.4. Recuérdese que el flujo de portadores mayoritarios es cero, por lo que sólo se presenta un flujo de portadores minoritarios, como se ilustra en la figura 3.4. En resumen, por tanto:

Una unión p-n de un transistor está polarizada inversamente, en tanto que la otra presenta polarización directa.

En la figura 3.5 ambos potenciales de polarización se han aplicado a un transistor pnp, con un flujo de portadores mayoritario y minoritario que se indica. En la figura 3.5 nótense los anchos de las regiones de agotamiento, que indican con toda claridad qué unión está polarizada directamente y cuál inversamente. Como se indica en la figura 3.5, un gran número de portadores mayoritarios se difundirán a través de la unión p~n polarizada directamente dentro del material tipo n. La pregunta es entonces si estos portadores contribuirán en forma directa a la corriente de base IB o pasarán directamente hacia el material tipo p. Puesto que el material tipo n emparedado es sumamente delgado y tiene una baja conductividad, un número muy pequeño de estos portadores seguirá la trayectoria de alta resistencia hacia la terminal de la base. La magnitud de la corriente de base es por lo general del orden de microamperes en comparación con los miliamperes de las corrientes del emisor y del colector. El mayor número de estos portadores mayoritarios se difundirá a través de la unión polarizada inversamente dentro del material tipo p conectado a la terminal del colector, como se indica en la figura 3.5. La causa de la relativa facilidad con la que los portadores mayoritarios pueden cruzar la unión polarizada inversamente puede comprenderse si consideramos que para el diodo polarizado en forma inversa, los portadores mayoritarios inyectados aparecerán como portadores minoritarios en el material tipo n. En otras palabras, ha habido una inyección de portadores minoritarios al interior del material de la región base de tipo n. Combinando esto con el hecho de que todos los portadores minoritarios, en la región de agotamiento cruzarán la unión polarizada inversamente, se explica el flujo que se indica en la figura 3.5.

Figura 3.4 Unión polarizada inversamente de un transistor pnp.

Figura 3.5 Flujo de portadores mayoritarios y minoritarios de un transistor pnp.

Aplicando la ley de corriente de Kirchhoff al transistor de la figura 3.5 como si fuera un solo nodo, obtenemos

IE = IC + IB

y descubrimos que la corriente en el emisor es la suma de las corrientes en el colector y la base, Sin embargo, la corriente en el colector está formada por dos componentes: los portadores mayoritarios y minoritarios como se indica en la figura 3.5. La componente de corriente minoritaria se denomina corriente de fuga y se simboliza mediante ICO (corriente IC con la terminal del emisor abierta = open). Por lo tanto, la corriente en el colector se determina completamente mediante la ecuación (3.2).

IC = ICmayoritaria + ICOminoritaria

En el caso de transistores de propósito general, IC se mide en miliamperes, en tanto que ICO se mide en microamperes o nanoamperes. ICO como Is para un diodo polarizado inversamente, es sensible a la temperatura y debe examinarse con cuidado cuando se consideren aplicaciones de intervalos amplios de temperatura. Si este aspecto no se trata de manera apropiada, es posible que la estabilidad de un sistema se afecte en gran medida a elevadas temperaturas. Las mejoras en las técnicas de construcción han producido niveles bastante menores de ICO, al grado de que su efecto puede a menudo ignorarse.

2.2 Configuración de base común.

La notación y símbolos que se usan en conjunto con el transistor en la mayor parte de los textos y manuales que se publican en la actualidad, se indican en la figura 3.6 para la configuración de base común con transistores pnp y npn, La terminología relativa a base común se desprende del hecho de que la base es común a los lados de entrada y salida de la configuración. Además, la base es usualmente la terminal más cercana o en un potencial de tierra. A lo largo de estos apuntes todas las direcciones de corriente se referirán a la convencional (flujo de huecos) en vez de la correspondiente al flujo de electrones. Esta elección se fundamenta principalmente en el hecho de que enorme cantidad de literatura disponible en las instituciones educativas y empresariales hace uso del flujo convencional, de que las flechas en todos los símbolos electrónicos tienen una dirección definida por esta convención. Recuérdese que la flecha en el símbolo del diodo define la dirección de conducción para la corriente convencional. Para el transistor:

La flecha del símbolo gráfico define la dirección de la corriente de emisor (flujo convencional) a través del dispositivo.

Figura 3.6 Notación y símbolos en la configuración de base común.

Todas las direcciones de corriente que aparecen en la figura 3.6 son las direcciones reales, como se definen con base en la elección del flujo convencional. Nótese en cada caso que IE = IC + IB. También adviértase que la polarización aplicada (fuentes de voltaje) es de modo que se establezca la corriente en la dirección indicada para cada rama. Es decir, compárese la dirección de IE con la polaridad o VEE para cada configuración y la dirección de IC con la polaridad de ICC.

Para describir por completo el comportamiento de un dispositivo de tres terminales, tales como los amplificadores de base común de la figura 3.6, se requiere de dos conjuntos de características, uno para los parámetros de entrada o punto de manejo y el otro para el lado de salida. El conjunto de entrada para el amplificador de base común, como se muestra en la figura 3.7, relacionará una corriente de entrada (IE) con un voltaje de entrada (VBE ) para varios niveles de voltaje de salida (VCB).

Figura 3.7 Características del punto de excitación para un transistor amplificador de silicio de base común.

El conjunto de salida relacionará una corriente de salida (IC) con un voltaje de salida VCB para diversos niveles de corriente de entrada (IE), como se ilustra en la figura 3.8. El conjunto de características de salida o colector tiene tres regiones básicas de interés, como se indican en la figura 3.8: las regiones activa, de corte y de saturación. La región activa es la región empleada normalmente para amplificadores lineales (sin distorsión). En particular: En la región actíva la unión colector-base está inversamente polarizada, mientras que la unión base-emisor se encuentra polarizada en forma directa.

La región activa se define por los arreglos de polarización de la figura 3.6. En el extremo más bajo de la región activa la corriente de emisor (IE) es cero, la comente de colector es simplemente la debida a la corriente inversa de saturación ICO , como se indica en la figura 3.8. La corriente ICO es tan pequeña (del orden de microamperios) en magnitud comparada con la escala vertical de IC (del orden de los miliamperios), que aparece virtualmente sobre la misma línea horizontal que IC = 0. Las condiciones del circuito que existen cuando IE = 0 para la configuración base común se ilustran en la figura 3.9. La notación usada con más frecuencia para ICO, en hojas de datos y de especificaciones es ICBO como se indica en la figura 3.9. A causa de las técnicas mejoradas de construcción, el nivel de ICBO para transistores de propósito general (especialmente silicio) en los intervalos de potencia bajo y medio es por lo general tan reducido que su efecto puede ignorarse. Sin embargo, para unidades de mayor potencia ICBO aún aparecerá en el intervalo de los microamperios. Además, recuérdese que ICBO para el diodo (ambas corrientes inversas de fuga) es sensible a la temperatura. A mayores temperaturas el efecto de ICBO puede llegar a ser un factor importante ya que se incrementa muy rápidamente con la temperatura.

Figura 3.9 Saturación de corriente inversa.

Nótese, en la figura 3.8, que conforme la corriente del emisor aumenta sobre cero, la corriente del colector aumenta a una magnitud esencialmente igual a la corriente del emisor determinada por las relaciones básicas del transistor-corriente. Adviértase también el casi desdeñable efecto de VCB sobre la corriente del colector para la región activa. Las curvas indican claramente que una primera aproximación a la relación entre IE e IC en la región activa la da

IC ð IE

Como se deduce de su nombre, la región de corte se define como aquella región donde la corriente de colector es de 0 A, como se demuestra en la figura 3.8. En suma:

En la región de corte ambas uniones, colector-base y base-emisor, de un transistor están inversamente polarizadas.

La región de saturación se define como la región de las características a la izquierda de VCB = 0 V. La escala horizontal en esta región se amplió para mostrar claramente el gran cambio en las características de esta región. Nótese el incremento exponencial en la comente de colector a medida que el voltaje VCB se incrementa más allá de los 0 V.

En la región de saturación las uniones colector-base y base-emisor están polarizadas directamente.

Las características de entrada de la figura 3.7 muestran que para valores fijos de voltaje de colector (VCB), a medida que el voltaje de base a emisor aumenta, la corriente de emisor se incrementa de una manera que se asemeja mucho a las características del diodo. De hecho, los niveles de aumento de VCB tienen un efecto tan insignificante sobre las características que, como una primera aproximación, la variación debida a los cambios en VCB puede ignorarse y se dibujan las características como se ilustra en la figura 3.10a. Si aplicamos entonces el método del modelo de segmentos lineales del diodo ideal, se obtendrán las características de la figura 3.10b. Adelantando un paso más e ignorando la pendiente de la curva y por tanto la resistencia asociada con la unión directamente polarizada, se obtendrán las características de la figura 3. lOc. Para los siguientes análisis en estos apuntes, el modelo equivalente de la figura 3.l0c se empleará para todos los análisis de cd para redes de transistores. Es decir, una vez que el transistor esta en el estado "encendido" o de conducción, se supondrá que el voltaje de base a emisor será el siguiente:

VBE = 0.7 V

 Alfa (ð )

En el modo de cd los niveles de IC e IE debidos a los portadores mayoritarios están relacionados

por una cantidad denominada alfa y que se define por medio de la siguiente ecuación:

ð cd = IC / IE

donde IC e IE son los niveles de corriente al punto de operación. Aun cuando las características de la figura 3.8 parecen sugerir que ð = 1, para dispositivos prácticos el nivel de alfa se extiende típicamente de 0.90 a 0.998, aproximándose la mayor parte al extremo superior del intervalo. Ya que alfa se define únicamente por los portadores mayoritarios, la ecuación (3.2) se convierte en

IC = ð IE + ICBO

Para las características de la figura 3.8 cuando IE = 0 mA, IC es por tanto igual a ICBO, pero como se mencionó con anterioridad el nivel de ICBO es por 1o general tan pequeño que es virtualmente indetectable en la gráfica de la figura 3.8. En otras palabras, cuando IE = 0 mA en la figura 3.8, IC aparece también con 0 mA para el intervalo de valores de VCB.

Para las situaciones de ca en donde el punto de operación se mueve sobre la curva de características, un alfa de ca se define por

El alfa de ca se denomina formalmente el factor de amplificación de base común en corto circuito, por razones que serán obvias cuando examinemos los circuitos equivalentes de transistor en el capitulo 4. Por el momento, admitamos que la ecuación (3.7) especifica que un cambio relativamente pequeño en la corriente de colector se divide por el cambio correspondiente en IE manteniendo constante el voltaje colector a base. Para la mayoría de las situaciones las magnitudes de ð ca y de ð cd se encuentran bastante cercanas, permitiendo usar la magnitud de una por otra.

Polarización

La polarización adecuada de la base común puede determinarse rápidamente empleando la aproximación IC ð IE y suponiendo por el momento que IB ð 0 uA. El resultado es la configuración de la figura 3.11 para el transistor pnp. La flecha del símbolo define la dirección del flujo convencional para IC ð IE. Las alimentaciones de cd se insertan entonces con una polaridad que sostendrá la dirección de la comente resultante. En el transistor npn las polaridades estarán invertidas.

Figura 3.11

A algunos estudiantes les parece que pueden recordar si la flecha del símbolo del dispositivo apunta hacia afuera haciendo corresponder las letras del tipo de transistor con las letras apropiadas de las frases "apuntando hacia adentro" o "apuntando hacia afuera".

ACCION AMPLIFICADORA DEL TRANSISTOR

Ahora que se ha establecido la relación entre IC e IE, la acción básica de amplificación del transistor se puede introducir en un nivel superficial utilizando la red de la figura 3.12. La polarización de cd no aparece en la figura puesto que nuestro interés se limitará a la respuesta de ca. Para la configuración de base común, la resistencia de entrada de ca determinada por las características de la figura 3.7 es bastante pequeña y varía típicamente de 10 a 100 ohms. La resistencia de salida determinada por las curvas de la figura 3.8 es bastante alta (cuanto más horizontal esté la curva mayor será la resistencia) y varía normalmente de 50 kohms a 1 Mohms, La diferencia en resistencia se debe a la unión polarizada directamente en la entrada (base a emisor) y la unión polarizada inversamente en la salida (base a colector). Usando un valor común de 20 ohms para la resistencia de entrada, encontramos que

Si suponemos por el momento que ð ca = 1,

IL = Ii = 10 mA

VL = ILR

= (10 mA)(5 kohms)

= 50 V

Figura 3.12

La amplificación de voltaje es

Los valores típicos de amplificación de voltaje para la configuración de base común varían de 50 a 300. La amplificación de corriente (IC/IE) siempre es menor que 1 para la configuración de base común. Esta última característica debe ser evidente ya que IC = ð IE y ð siempre es menor que 1.

La acción básica de amplificación se produjo transfiriendo una corriente I de un circuito de baja resistencia a uno de alta. La combinación de los dos términos en cursivas produce el nombre de transistor, es decir,

transferencia + resistor —> transistor

2.3 Configuración de emisor común.

La configuración de transistores que se encuentra con mayor frecuencia se muestra en la figura 3.13 para los transistores pnp y npn. Se denomina configuración de emisor común porque el emisor es común tanto a las terminales de entrada como a las de salida (en este caso, es también común a las terminales de la base y del colector). De nuevo se necesitan dos conjuntos de características para describir en forma completa el comportamiento de la configuración de emisor común: una para la entrada o circuito de la base y una para la salida o circuito del colector. Ambas se muestran en la figura 3.14.

Figura 3.13

Figura 3.14

Las corrientes del emisor, colector y la base se muestran en su dirección de comente convencional real. Aun cuando la configuración del transistor ha cambiado, siguen siendo aplicables las relaciones de comentes desarrolladas antes para la configuración de base común.

En la configuración de emisor común las características de la salida serán una gráfica de la corriente de salida (IC) versus el voltaje de salida (VCE) para un rango de valores de la corriente de entrada (IB). Las características de la entrada son una gráfica de la comente de entrada (IB) versus el voltaje de entrada (VBE ) para un rango de valores del voltaje de salida (VCE).

Obsérvese que en las características de la figura 3.14 la magnitud de IB es del orden de microamperes comparada con los miliamperes de IC. Nótese también que las curvas de IB no son tan horizontales como las que se obtuvieron para IE en la configuración de base común, lo que indica que el voltaje de colector a emisor afectará la magnitud de la corriente de colector.

La región activa en la configuración de emisor común es aquella parte del cuadrante superior derecho que tiene la linealidad mayor, esto es, la región en la que las curvas correspondientes a IB son casi líneas rectas y se encuentran igualmente espaciadas. En la figura 3.14 a esta región se localiza a la derecha de la línea sombreada vertical en VCEsat por encima de la curva para IB igual a cero. La región a la izquierda de VCEsat se denomina región de saturación. En la región activa de un amplificador emisor común la unión colector-base está polarizada inversamente, en tanto que la unión base-emisor está polarizada directamente.

Se recordará que éstas fueron las mismas condiciones que existieron en la región activa de la configuración de base común. La región activa de la configuración de emisor común puede emplearse en la amplificación de voltaje, corriente o potencia.

La región de corte en la configuración de emisor común no está tan bien definida como en la configuración de base común. Nótese, en las características de colector de la figura 3.14 que IC no es igual a cero cuando IB = 0. En la configuración de base común, cuando la corriente de entrada IE = 0, la corriente de colector fue sólo igual a la corriente de saturación inversa ICO, por lo que la curva IE = 0 y el eje de voltaje fueron (para todos los propósitos prácticos) uno.

La razón de esta diferencia en las características del colector puede obtenerse mediante la manipulación adecuada de las ecuaciones (3.3) y (3.6). Es decir,

Ecuación (3.6): IC = ð IE + ICBO

La sustitución da Ecuación (3.3): IC = ð ( IC + IB) + ICBO

Reordenando obtenemos:

Si consideramos el caso discutido anteriormente, donde IB = 0 A, y sustituimos un valor típico de a

tal como 0.996, la corriente de colector resultante es la siguiente:

Si icbo fuera de 1 uA, la corriente de colector resultante con IB = 0 A sena 250 (1 pA) = 0.25

mA, como se refleja en las características de la figura 3.14.

Para referencia futura, a la corriente de colector definida por la condición IB = 0 uA se le asignará

la notación indicada por la ecuación (3.9):

En la figura 3.15 las condiciones que envuelven a esta corriente definida nuevamente se muestran con su dirección de referencia asignada.

Para propósitos de amplificación lineal (la menor distorsión) el corte para la configuración de emisor común se determinará mediante IC = ICEO

En otras palabras, la región por debajo de IB = 0 uA deberá evitarse si se requiere una señal de salida sin distorsión.

Cuando se emplea como interruptor en la circuitería lógica de una computadora, un transistor tendrá dos puntos de operación de interés: uno en el corte y el otro en la región de saturación. La condición de corte, en el caso ideal, sería IC = O mA para el voltaje VCE elegido. Puesto que ICEO es por lo general de pequeña magnitud para los materiales de silicio, el corte existirá para propósitos de conmutación cuando IB = O uA o IC = ICEO únicamente en el caso de transistores de silicio. En los transistores de germanio, sin embargo, el corte para propósitos de conmutación se definirá como aquellas condiciones que existen cuando IC = ICBO. Esta condición puede obtenerse normalmente en los transistores de germanio polarizando inversamente la unión de base emisor, polarizada por lo regular en forma directa a unos cuantos décimos de volt.

Recuérdese para la configuración de base común que el conjunto de características de entrada se aproximó por una línea recta equivalente que resultó en VBE = 0.7 V para cualquier nivel de IE mayor de O mA. Para la configuración de emisor común puede tomarse la misma aproximación, resultando en el equivalente aproximado de la figura 3.16. El resultado apoya nuestra anterior conclusión de que para un transistor en la región "activa" o de conducción el voltaje de base a emisor es 0.7 V. En este caso el voltaje se ajusta para cualquier nivel de la corriente de base.

Beta(ð )

En el modo de cd los niveles de IC e IB se relacionan por una cantidad denominada beta y definida por la siguiente ecuación:

ð cd = IC / IB

El nombre formal para ð ca es factor de amplificación de corriente directa de emisor común. Puesto que la corriente de colector es por lo general la corriente de salida para una configuración de emisor común y la corriente de base es la corriente de entrada, el término amplificación se incluye en la nomenclatura anterior.

Aunque no son exactamente iguales, los niveles de ð ca, y de ð cd están por lo general razonablemente cercanos y con frecuencia se utilizan en forma intercambiable.

Se puede desarrollar una relación entre ð y ð empleando las relaciones básicas presentadas con anterioridad. Utilizando ð = IC /IB obtenemos IB = IC / ð , y de ð = IC/IE tenemos que IE = IC / ð Sustituyendo en

IE = IC + IB

IC / ð = IC + (IC / ð )

y dividiendo ambos lados de la ecuación por IC resultará en

IC / ð = 1 + (1 / ð )

de modo que

encontramos que

ICEO = (ð + 1) ICBO

ICEO ð ð ICBO

como se indica en la figura 3.14a. La beta es un parámetro particularmente importante porque proporciona un enlace directo entre niveles de corriente de los circuí Los de entrada y salida para una configuración de emisor común. Es decir,

IC ð ð IB

Y puesto que

IE = IC + IB

= ð IB + IB

IE = (ð + 1) IB

2.4 Configuración de colector común.

La tercera y última configuración de transistores la de colector común, mostrada en la figura 3.20 con las direcciones apropiadas de corriente y la notación de voltaje. La configuración de colector común se emplea fundamentalmente para propósitos de acoplamiento de impedancia ya que tiene una elevada impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, que es lo opuesto a las configuraciones de base común y de emisor común.

Figura 3.20 Notación y símbolos en la configuración de colector común.

La configuración del circuito de colector común se muestra en la figura 3.21 con la resistencia de carga del emisor a tierra. Nótese que el colector está conectado a tierra aun cuando el transistor está conectado de manera similar a la configuración de emisor común. Desde el punto de vista de diseño, no es necesario elegir para un conjunto de características de colector común, los parámetros del circuito de la figura 3.21. Pueden diseñarse empleando las características de emisor común de la sección 3.6. Para todos los propósitos prácticos, las características de salida de la configuración de colector común son las mismas que las de la configuración de emisor común. En la configuración de colector común las características de salida son una gráfica de IE versus VEC para un intervalo de valores de IB. Por ellos, la corriente de entrada es la misma tanto para las características de emisor común como para las de colector común. El eje de voltaje para la configuración de colector común se obtiene cambiando simplemente el signo de voltaje de colector a emisor de las características de emisor común. Por último, hay un cambio casi imperceptible en la escala vertical de IC de las características de emisor común si IC se reemplaza por IE en las características de colector común (puesto que ð = 1). En el circuito de entrada de la configuración de colector común, las características de la base de emisor común son suficientes para obtener la información que se requiera.

Figura 3.21 Configuración de colector común empleada para propósitos de acoplamiento de impedancia

2.5 Límites de operación del transistor.

Para cada transistor existe una región de operación sobre las características, la cual asegurara que los valores nominales máximos no sean excedidos y la señal de salida exhibe una distorsión mínima. Una región de este tipo, se ha definido para las características de transistor de la figura 3.22. Todos los límites de operación se definen sobre una típica hoja de especificaciones de transistor descrita en la sección 2.6.

Algunos de los límites se explican por sí mismos, como la corriente máxima de colector (denominada, por lo general, en la hoja de especificaciones, como corriente continua de colector) y el voltaje máximo de colector a emisor (abreviada a menudo como vCeo.) Para el transistor de la figura 3.22, ICmáx se especificó como de 50 mA y vCeo como de 20 V. La linea vertical de las características definida como vCEsat especifica la mínima vCE que puede aplicarse sin caer en la región no lineal denominada región de saturación.

Figura 3.22

El nivel de VCEsat está regularmente en la vecindad de los 0.3 V especificada para este transistor. El máximo nivel de disipación se define por la siguiente ecuación:

PCmáx = VCEIC

Para el dispositivo de la figura 3.22, la disipación de potencia de colector se especificó como de 300 mW. Surge entonces la cuestión de cómo graficar la curva de disipación de potencia de colector especificada por el hecho de que

PCmáx = VCEIC = 300 mW

En cualquier punto sobre las características el producto de VCE e IC debe ser igual a 300 mW. Si elegimos para IC el valor máximo de 50 mA y lo sustituimos en la relación anterior, obtenemos

VCEIC = 300 mW

VCE(50 mA) = 300 mW

VCE = 6 V

Como un resultado encontramos que si IC = 50 mA, entonces VCE = 6 V sobre la curva de disipación de potencia, como se indica en la figura 3.22. Si ahora elegimos para VCE su valor máximo de 20 V, el nivel de IC es el siguiente:

(20 V)IC = 300 mW

IC = 15 mA

definiendo un segundo punto sobre la curvatura de potencia. Si ahora escogemos un nivel de IC a la mitad del intervalo como 25 mA, resolvemos para el nivel resultante de VCE obtenemos

VCE(25 mA) = 300 mW

VCE = 12 V

como también se indica en la figura 3.22. Una estimación aproximada de la curva real puede dibujarse por lo general empleando los tres puntos definidos con anterioridad. Por supuesto, entre más puntos tenga, más precisa será la curva, pero una aproximación es generalmente todo lo que se requiere. La región de corte se define como la región bajo IC = ICEO. Esta región tiene que evitarse también si la señal de salida debe tener una distorsión mínima. En algunas hojas de especificaciones se proporciona solamente ICBO. Entonces uno debe utilizar la ecuación ICEO = ð ICBO para establecer alguna idea del nivel de corte si la curva de características no está disponible. La operación en la región resultante de la figura 3.22 asegurará una mínima distorsión de la señal de salida y niveles de voltaje y corriente que no dañarán al dispositivo. Si las curvas de características no están disponibles o no aparecen en la hoja de especificaciones (como ocurre con frecuencia), uno simplemente debe estar seguro que IC, VCE y su producto caigan dentro del intervalo que aparece en la siguiente ecuación:

ICEO ð IC ð Icmáx

VCEsat ð VCE ð VCEmáx

VCEIC ð PCmáx

Para las características de base común la curva de potencia máxima se define por el siguiente producto de cantidades de salida;

PCmax = VCBIC

 2.6 Hoja de especificaciones del transistor.

Puesto que la hoja de especificaciones es el enlace de comunicación entre el fabricante y el usuario, es de particular importancia que la información proporcionada sea reconocida y correctamente comprendida. Aunque no se han presentado todos los parámetros, un amplio número será ahora familiar. Los parámetros restantes se introducirán en los capítulos siguientes. Se hará referencia a esta hoja de especificaciones para revisar la manera en la cual se presenta el parámetro.

La información proporcionada en la figura 3.23 se ha tomado directamente de la publicación Small-Signal Transistors, FETs, and Diodes preparada por Motorola Inc. El 2N4123 es un transistor npn de propósito general con el encapsulado y la identificación de terminales que aparecen en el extremo superior derecho de la figura 3.23a. La mayoría de las hojas de especificaciones se dividen en valores nominales máximos, características térmicas v características eléctricas. Las características eléctricas se subdividen además en características en estado "encendido", en estado "apagado" y de pequeña señal. Las características en estado activo y pasivo se refieren a los limites de cd, mientras que las características de pequeña señal incluyen los parámetros de importancia para la operación de ca.

Nótese en la lista de valores nominales máximos que vcemax = VCEO = 30 V con ICmax = 200 mA. La máxima disipación de colectora . = 625 mW. El factor de degradación bajo los valores nominales máximos especifica que el valor nominal máximo debe descender 5 mW por cada grado de incremento en la temperatura sobre los 25°C. En las características durante el estado "apagado" ICBO se especifica como de 50 nA y durante el estado "encendido" VCEsat = 0.3 V. El nivel de hFE tiene un intervalo de 50 hasta 150 a una IC = 2 mA y VCE =1 V y un valor mínimo de 25 a una corriente mayor de 50 mA para el mismo voltaje.

Los limites de operación se han definido ahora para el dispositivo y se repiten a continuación en el formato de la ecuación (3.17) empleando hFE = 150 (el límite superior). En realidad, para muchas aplicaciones, los 7.5 uA = 0.0075 mA se pueden considerar como 0 mA sobre una base aproximada.

Límites de Operación

7.5 uA ð IC ð 200 mA

0.3 V ð VCE ð 30 V

VCEIC ð 650 mW

En las características de pequeña señal el nivel de hfe (ð ca) se proporciona junto con una gráfica de cómo varía con la corriente de colector en la figura 3.23f. En la figura 3.23j se demuestra el efecto de la temperatura y la comente de colector sobre el nivel de hFE (ð ca). A temperatura ambiente (25°C), adviértase que hFE (ð cd) tiene un valor máximo de 1 en la vecindad alrededor de los 8 mA. A medida que IC, se incrementa más allá de este nivel, hFE cae a la mitad de su valor con IC igual a 50 mA. También decae a este nivel si IC disminuye al nivel inferior de 0.15 mA. Puesto que esta es una curva normalizada, si tenemos un transistor con ð cd = hFE = 50 a temperatura ambiente, el valor máximo a 8 mA es de 50. A IC = 50 mA habrá decaído a 50/ 2 = 25. En otras palabras, la normalización revela que el nivel real de hFE a cualquier nivel de IC se ha dividido por el valor máximo de hFE a esa temperatura e IC = 8 mA.

Figura 3.23 Hoja de especificaciones del transistor.

3.1 Punto de operación o punto Quiescente.

El análisis o diseño de un amplificador de transistor requiere del conocimiento de la respuesta del sistema, tanto de cd como de ca. Con demasiada frecuencia se supone que el transistor es un dispositivo mágico que puede alcanzar el nivel de la entrada aplicada de ca sin la asistencia de una fuente de energía externa. En realidad, el nivel mejorado de potencia de salida de ca es resultado de una transferencia de energía de las fuentes aplicadas de cd. Por lo tanto, el análisis o diseño de cualquier amplificador electrónico tiene dos componentes: la parte de cd y la correspondiente de ca. Afortunadamente, el teorema de superposición es aplicable y la investigación de las condiciones de cd puede separarse por completo de la respuesta de ca. Sin embargo, hay que tener presente que durante el diseño o etapa de síntesis, la selección de los parámetros para los niveles de cd requeridos afectarán la respuesta de ca, y viceversa.

El nivel de cd de operación de un transistor se controla por varios factores, incluyendo el rango de posibles puntos de operación sobre las características del dispositivo. Una vez que se han definido los niveles deseados de corriente y voltaje de cd, debe construirse una red que establecerá el punto de operación deseado (algunas de estas redes se analizan en este capítulo). Cada diseño también determinará la estabilidad del sistema, es decir, qué tan sensible es el sistema a las variaciones de temperatura (otro tema que se investiga en una sección posterior de este capítulo). Aunque se analizan diversas redes en este capítulo, existe una similitud fundamental en e) análisis de cada configuración, debida al uso recurrente de las siguientes relaciones básicas importantes para un transistor:

VBE = 0.7 V

IE = (ð + 1)IB ð IC

IC = ð IB

De hecho, una vez que el análisis de las redes iniciales se comprenda con claridad, la ruta por seguir hacia la solución de las redes comenzara a ser más evidente. En la mayoría de los casos la corriente de base IB es la primera cantidad que se determina. Una vez que IB se conoce, las relaciones de las ecuaciones anteriores pueden aplicarse para encontrar las restantes cantidad de interés. Las similitudes en el análisis serán inmediatamente obvias a medida que avancemos en este capítulo. Las ecuaciones para IB son tan similares para diversas configuraciones que una ecuación puede derivarse de otra sencillamente quitando o agregando un término o dos. La función primordial de este capitulo es desarrollar cierto nivel de familiaridad con el transistor BJT, el cual permitiría un análisis de cd de cualquier sistema que deba emplear el amplificador BJT.

PUNTO DE OPERACIÓN

El término polarización que aparece en el titulo de este capítulo es un vocablo que incluye todo lo referente a la aplicación de voltajes de cd para establecer un nivel fijo de corriente y voltaje. Para amplificadores de transistor, el voltaje y la comente de cd resultantes establecen un punto de operación sobre las características, el cual define la región que se empleará para la amplificación de la señal aplicada. Ya que el punto de operación es un punto fijo sobre las características, se le conoce también como punto quiesciente (abreviado punto Q). Por definición, quiesciente significa quieto, inmóvil, inactivo. La figura 4.1 muestra una característica general de salida de un dispositivo con cuatro puntos de operación indicados. El circuito de polarización puede diseñarse para establecer la operación del dispositivo en cualquiera de estos puntos o en otros dentro de la región activa. Los valores nominales máximos se indican sobre las características de la figura 4,1, por una linea horizontal para la corriente de colector máxima ICmáx y por una línea vertical para el voltaje de colector-emisor máximo VCEmax. La máxima potencia de operación máxima se define por la curva Pcmáx en la misma figura. En el extremo inferior de las escalas se localizan la región de corte, definida por IB ð 0 uA, y la región de saturación, definida por VCE ð VCEsat.

Figura 4.1 Diversos puntos de operación dentro de los límites de operación de un transistor.

El dispositivo BJT podría polarizarse para operar fuera de estos puntos limite máximos, pero el resultado de tal operación causaría ya sea el acortamiento de la vida de servicio del dispositivo, o bien su destrucción. Concentrándonos en la región activa es posible elegir muchas áreas o puntos de operación diferentes. El punto Q depende a menudo del uso que se dará al circuito. No obstante, es posible considerar algunas diferencias entre la operación en puntos diferentes de la figura 4.1 para presentar algunas ideas básicas en tomo al punto de operación y, por ello, al circuito de polarización.

Si no se utilizara la polarización, el dispositivo estaría al principio totalmente cortado (desactivado), lo cual produciría la A, esto es, corriente cero a través del dispositivo (y voltaje cero a través del mismo). Es necesario polarizar el dispositivo de modo que pueda responder o cambiar sus valores de corriente y voltaje en todo el intervalo de una señal de entrada. En tanto que el punto A no resultara apropiado, el punto B proporciona esta operación deseada. Si se aplica una señal al circuito, ademas del nivel de polarización, el dispositivo variará sus valores de corriente y voltaje a partir del punto de operación B, lo que permite que el dispositivo reaccione (y posiblemente amplifique) tanto la parte positiva como la parte negativa de la señal de entrada. Si, como podría suceder, la señal de entrada es pequeña, el voltaje y la corriente del dispositivo variarán, pero no lo suficiente para llevarlo al nivel de corte o saturación. El punto C permitiría cierta variación positiva y negativa de la señal de salida, pero el valor pico a pico sería limitado por la proximida de vCE = 0V/IC = 0mA. La operación en el punto C también tiene algo que ver con las no linealidades introducidas por el hecho de que el espacio entre las curvas IB cambia rápidamente, en esta región. En general, es preferible operar donde la ganancia del dispositivo es más constante (o lineal), de tal modo que la cantidad de amplificación en toda la excursión de la señal de entrada es la misma. El punto B es una región de espaciamiento más lineal y, por consiguiente, su operación tiene un mayor grado de linealidad, como se indica en la figura 4.1. El punto D fija el punto de operación del dispositivo cerca del valor de voltaje y potencia máximo. La excursión del voltaje de salida en la dirección positiva está de este modo limitada si no se excede el voltaje máximo. En consecuencia, el punto B aparece como el mejor punto de operación en términos de la ganancia lineal o de la excursión de voltaje y corriente más grande posible. Esta es casi siempre la condición que se desea en los amplificadores de pequeña señal, pero no necesariamente para los amplificadores de potencia. En este análisis, nos concentramos fundamentalmente en la polarización del dispositivo para la operación de amplificación de señales pequeñas.

Debe considerarse otro factor de la polarización muy importante. Habiendo seleccionado y polarizado un BJT en un punto de operación deseado, también debe tomarse en cuenta el efecto de la temperatura. La temperatura provoca cambios en las características del dispositivo, tales como la ganancia de corriente (ð ca) y la corriente de fuga del transistor (ICEO). Las altas temperaturas conducen a un incremento de corrientes de fuga en el dispositivo, por lo que cambian la condición de operación establecida por la polarización de la red. El resultado es que el diseño de la red también debe proporcionar un grado de estabilidad de temperatura de modo que los cambios de temperatura resulten en cambios mínimos en el punto de operación. Este mantenimiento del punto de operación puede especificarse por un factor de estabilidad, S, el cual indica la magnitud del cambio en el punto de operación debido a una variación de temperatura. Es deseable un circuito altamente estable y se comparará la estabilidad de algunos circuitos de polarización básicos. Para el BJT que se polarizará en su región de operación lineal o activa debe cumplirse:

1. La unión de base a emisor debe estar polarizada directamente (voltaje de la región p más positivo) con un voltaje resultante de polarización directa entre la base y el emisor de aproximadamente 0.6 a 0.7 V.

2. La unión de base a colector debe estar polarizada inversamente (región n más positiva), estando el voltaje de polarización inversa en cualquier valor dentro de los límites máximos del dispositivo.

[Nótese que en la polarización directa el voltaje en la unión p-n es p-positivo, en tanto que en la polarización inversa es opuesto (inverso) con n-positiva. El énfasis que se hace sobre la letra inicial debe brindar un medio que ayude a memorizar la polaridad de voltaje necesaria.]

La operación en las regiones de corte, de saturación y lineal de la características del BJT se obtienen de acuerdo con lo siguiente:

3.2 Circuito de polarización fija.

El circuito de polarización fija de la figura 4.2 proporciona una introducción relativamente directa y simple al análisis de polarización de cd de transistor. Aun cuando la red emplea un transistor npn, las ecuaciones y cálculos se aplican en forma correcta por igual a una configuración pnp con sólo cambiar todas las direcciones de corriente y polaridades de voltaje. Las direcciones de corriente de la figura 4.2 son las direcciones de corriente reales, y los voltajes se definen por la notación estándar de subíndice doble. Para el análisis de cd la red puede aislarse de los niveles de ca indicados, remplazando los capacitores por un circuito abierto equivalente. Además, la fuente de cd VCC puede dividirse en un par de fuentes (para propósitos del análisis solamente), como se ilustra en la figura 4.3, para permitir una separación de los circuitos de entrada y de salida. Esto reduce también el enlace entre las dos a la corriente de base IB. La separación es ciertamente válida, como observamos en la figura 4.3, ya que VCC se conecta directamente a RB y RC del mismo modo,que en la figura 4.2.

Figura 4.2 Circuito de polarización fija.

Figura 4.3 Equivalente de cd de la figura 4.2

POLARIZACIÓN DIRECTA DE BASE-EMISOR

Considérese primero la malla circuito base-emisor que se muestra en el diagrama de circuito parcial de la figura 4.4. Escribiendo la ecuación de voltaje de Kírchhoff para la malla obtenemos

VCC -IBRB - VBE = 0

Nótese la polaridad de la caída de voltaje a través de RB, como se establece por la dirección indicada de IB. Resolviendo la ecuación para la corriente IB se tendrá el siguiente resultado:

IB = (VCC - VBE) / RB

En realidad, la ecuación (4.4) no es difícil de recordar si se considera simplemente que la corriente de base es la corriente a través de RB y, por la ley de Ohm, esa corriente es el voltaje a través de RB dividido entre la resistencia RB. El voltaje a través de RB es el voltaje aplicado VCC en uno de los extremos menos la caída a través de la unión base-emisor (VBE).

Figura 4.4 Malla de base-emisor

Ademas, puesto que la fuente de voltaje VCC y el voltaje de base a emisor VBE son constantes, la selección de un resistor de base, RB, establece el nivel de la corriente de base para el punto de operación.

Malla de colector-emisor

La sección de colector-emisor de la red aparece en la figura 4.5 con la dirección indicada de la corriente IC y la polaridad resultante a través de RC. La magnitud de la corriente de colector se relaciona directamente con IB por medio de

IC = ð IB

Es interesante notar que, en vista de que la corriente de base se controla por el nivel de RB e IC se relaciona con IB por una constante ð la magnitud de IC no es una función de la resistencia RC. El cambio de RC a cualquier nivel no afectará el nivel de IB o IC en tanto que permanezcamos en la región activa del dispositivo. Sin embargo, como veremos posteriormente, el nivel de RC determinará la magnitud de VCE, el cual es un parámetro importante.

Aplicando la ley de voltaje de Kirchhoff en la dirección de las manecillas del reloj a lo largo de la malla indicada en la figura 4.5, se obtendrá el resultado siguiente

VC + ICRC - VCC = 0

VCE = VCC - ICRC

el que establece en palabras que el voltaje a través de la región de colector-emisor de un transistor en la configuración de polarización fija es la fuente de voltaje menos la caída a través de RC. Como un breve repaso de la notación de subíndice y doble subíndice, recuérdese que

VCE = VC - VE

donde VCE es el voltaje de colector a emisor y VC y VE son los voltajes de colector y emisor a tierra, respectivamente. Pero en este caso, ya que VE = 0 V, tenemos

VCE = VC

Además, puesto que

VBE = VB - VE

y VE = 0 V, entonces

VBE = VB

Téngase en cuenta que los niveles de voltaje como el de VCE se determinan situando la punta roja (positiva) del voltímetro en la terminal de colector con punta negra (negativa) en la terminal del emisor, como se ilustra en la figura 4.6. VC es el voltaje del colector a tierra y se mide como se muestra en la misma figura. En este caso, las dos lecturas son idénticas, pero en las redes que se verán más adelante, ambas pueden llegar a ser bastante diferentes. Comprender con claridad la diferencia entre las dos mediciones probará ser de suma importancia en la detección de fallas de las redes de transistores.

Figura 4.5 Malla de colector-emisor

Figura 4.6 Medición de VCE y VC.

Saturación del transistor

El termino saturación se aplica a cualquier sistema, donde los niveles han alcanzado sus valores máximos. Una esponja saturada es aquella que no puede contener una gota más de liquido. Para un transistor que opera en la región de saturación, la corriente es un valor máximo para el diseño particular. Modifíquese el diseño y el correspondiente nivel de saturación podrá elevarse o decaer. Por supuesto, el mayor nivel de saturación se define por la máxima corriente de colector, tal como se proporciona en la hoja de especificaciones.

Las condiciones de saturación se evitan por lo general debido a que la unión de base a colector ya no está inversamente polarizada y la señal amplificada de salida estará distorsionada. Un punto de operación en la región de saturación se representa en la figura 4.8a. Nótese que se encuentra en una región donde se unen las "curvas de características y el voltaje de colector a emisor se halla en o sobre VCEsat . Además, la corriente de colector es relativamente alta sobre las características.

Figura 4.8 Región de saturación (a) real (b) aproximada

Si juntarnos las curvas de la figura 4.8a con las que aparecen en la figura 4.8b, se llegará a un método rápido y directo para determinar el nivel de saturacion.Enlafigura4.8b la corriente es relativamente alta y se supone que el voltaje VCE es de cero voltios. Al aplicar la ley de Ohm, la resistencia entre las terminales de colector y emisor se puede determinar como sigue:

RCE = VCE / IC = 0 V / ICsat = 0 ohms

Aplicando los resultados al esquema de la red resultaría la configuración de la figura 4.9.

Figura 4.9 Determinación de ICsat.

Por consiguiente, en el futuro, si hubiera necesidad inmediata de conocer la corriente máxima de colector aproximada (nivel de saturación) para un diseño en particular, simplemente inserte un corto circuito equivalente entre el colector y el emisor del transistor y calcule la corriente de colector resultante. En resumidas cuentas, haga VCE = 0V. Para la configuración de polarización fija de la figura 4.10, se utilizó el corto circuito, ocasionando que el voltaje a través de RC sea el voltaje aplicado VCC. La corriente de saturación resultante para la configuración de polarización fija es:

ICsat = VCC / RC

Figura 4.10 Determinación de ICsat, para la co