Transistor

Antes de la invención del transistor, los sistemas electrónicos se basaban en bulbos de vacío o válvulas termoiónicas. Estos dispositivos eran usados en radios, computadoras y equipos de telecomunicaciones para amplificar señales eléctricas y actuar como interruptores. Sin embargo, los bulbos tenían grandes desventajas: eran grandes, consumían mucha energía, generaban mucho calor y eran frágiles, lo que los hacía propensos a fallos frecuentes. Además, su tamaño limitaba la miniaturización de los dispositivos electrónicos y su vida útil era limitada. La necesidad de una alternativa más eficiente impulsó la búsqueda de nuevos dispositivos. En 1947, los científicos de Bell Labs, John Bardeen, Walter Brattain y William Shockley, crearon el primer transistor, una pequeña pieza de silicio capaz de amplificar y conmutar señales de manera mucho más eficiente. Esta tecnología permitió el desarrollo de computadoras portátiles, teléfonos móviles y una amplia gama de dispositivos electrónicos, lo que dio lugar a la era digital en la que vivimos.

El Material Ideal

El silicio se convirtió rápidamente en el material preferido para la fabricación de transistores, debido a sus propiedades únicas como semiconductor. Un semiconductor es un material que tiene una conductividad eléctrica intermedia entre la de los conductores (como los metales) y los aislantes (como el vidrio). El silicio es abundante, relativamente barato y presenta una banda de energía que permite controlar su conductividad con facilidad mediante el proceso de dopado.

Además, el silicio tiene una alta capacidad para soportar temperaturas elevadas en comparación con otros semiconductores como el germanio, lo que lo hace ideal para dispositivos que deben operar en condiciones extremas.

El silicio, en su forma pura, no es un conductor eficiente de electricidad. Para mejorar sus propiedades, se somete a un proceso llamado dopado, que consiste en añadir pequeñas cantidades de impurezas al silicio para modificar su conductividad. Existen dos tipos de dopado:

• Dopado tipo n: Se introduce un elemento como el fósforo o el arsénico, que tiene un electrón extra en su capa más externa. Este electrón adicional queda libre para moverse, creando una región con exceso de electrones, o carga negativa.
• Dopado tipo p: Se agrega un elemento como el boro, que tiene un electrón menos en su capa externa, lo que crea huecos (es decir, la ausencia de electrones). Estos huecos actúan como portadores de carga positiva.

Unión p-n: Funcionamiento en Polarización Directa e Inversa

El corazón de un transistor se encuentra en la unión p-n, una interfaz entre una región dopada tipo p y una región dopada tipo n. Dependiendo de cómo se conecte un voltaje externo, la unión p-n puede funcionar de dos maneras:

• Polarización directa: Si se conecta la región p a un potencial positivo y la región n a uno negativo, los electrones en la región n y los huecos en la región p son empujados hacia la unión. Esto reduce la barrera de potencial, permitiendo que la corriente fluya a través del dispositivo. En este modo, el transistor actúa como un conductor.
• Polarización inversa: Si se conecta la región p a un potencial negativo y la región n a uno positivo, los electrones y huecos son alejados de la unión, aumentando la barrera de potencial y evitando el flujo de corriente. En este modo, el transistor actúa como un aislante.

Transistores BJT (Bipolar Junction Transistor)

Los transistores, tanto BJT (Transistor Bipolar de Unión) como FET (Transistor de Efecto de Campo), son componentes esenciales en la electrónica debido a su capacidad para amplificar y conmutar señales. Ambos tipos de transistores tienen características y aplicaciones específicas, por lo que es importante entender las diferencias clave entre ellos y cuándo es preferible usar uno sobre el otro.

El BJT se caracteriza por ser un dispositivo controlado por corriente. Esto significa que una pequeña corriente en la base controla una corriente mayor que fluye entre el colector y el emisor. Los BJTs tienen dos variantes principales: npn y pnp.

• En un transistor npn, los electrones son los portadores de carga predominantes, y el transistor se activa cuando la base tiene un voltaje positivo en relación con el emisor. Esto permite que la corriente fluya del colector al emisor. Este tipo es el más común, ya que los electrones tienen mayor movilidad que los huecos, lo que permite conmutaciones más rápidas y una operación más eficiente.
• En un transistor pnp, los huecos son los portadores de carga predominantes, y el transistor se activa cuando la base tiene un voltaje negativo en relación con el emisor. En este caso, la corriente fluye desde el emisor al colector. Los pnp se utilizan en aplicaciones donde se requiere un flujo de corriente inverso o donde el voltaje positivo está en el emisor.

Las terminales en un BJT:

1. Base: Es la terminal de control. En los npn, requiere una pequeña corriente positiva, mientras que en los pnp, necesita una corriente negativa para activar el transistor.
2. Colector: Aquí se concentra la corriente principal que será controlada. Es la terminal por donde fluye la mayor parte de la corriente hacia el emisor (en npn) o desde el emisor (en pnp).
3. Emisor: Es la terminal por donde entra o sale la corriente en función de si el transistor es npn o pnp.

Los BJTs son preferibles en aplicaciones que requieren amplificación de señales, como en amplificadores de audio o de radiofrecuencia. También son comunes en situaciones donde se necesita controlar corriente o cuando se requiere una alta ganancia de corriente. Son utilizados en aplicaciones de baja a media potencia y en conmutación rápida, aunque generan más calor que otros tipos de transistores.

Transistores FET (Field Effect Transistor)

A diferencia de los BJTs, los transistores FET son controlados por voltaje. Esto significa que una pequeña tensión en la compuerta (gate) controla el flujo de corriente entre el drenador (drain) y la fuente (source). Los FETs tienen una alta impedancia de entrada, lo que significa que apenas consumen corriente, lo que los hace ideales para aplicaciones de baja potencia y alta eficiencia energética.

Hay dos tipos principales de FETs:

• JFET (Transistor de Efecto de Campo de Unión): Tiene una compuerta de tipo unión, y su control de voltaje se realiza aplicando una diferencia de potencial entre la compuerta y la fuente.
• MOSFET (Transistor de Efecto de Campo de Óxido Metálico): Utiliza un óxido aislante entre la compuerta y el canal, lo que proporciona una mayor eficiencia de control. Es el tipo más común en aplicaciones modernas, ya que puede manejar corrientes más altas y operar a frecuencias mayores.

Las terminales en un FET:

1. Compuerta (Gate): Controla el flujo de corriente a través del transistor mediante la aplicación de una tensión. En los MOSFETs, una pequeña tensión en la compuerta puede controlar grandes corrientes.
2. Drenador (Drain): Es el equivalente al colector en los BJTs. La corriente fluye a través del drenador hacia la fuente.
3. Fuente (Source): Equivalente al emisor en los BJTs, la corriente fluye desde o hacia la fuente, dependiendo del tipo de FET.

Los FETs son ideales para aplicaciones de baja potencia, ya que consumen muy poca corriente en la compuerta. Son especialmente útiles en circuitos donde se requiere alta eficiencia energética, como en conmutadores de potencia y reguladores de tensión. Los MOSFETs se utilizan ampliamente en aplicaciones de alta frecuencia, como en fuentes de alimentación conmutadas y controladores de motores.

¿Cuándo Elegir un BJT o un FET?

La elección entre un BJT y un FET depende del tipo de aplicación y los requisitos específicos del circuito.

Los BJTs se utilizan en aplicaciones donde es importante la amplificación de corriente o el control de señales de audio y radiofrecuencia, mientras que los FETs son más adecuados en sistemas que requieren alta eficiencia energética, bajo consumo de corriente y alta velocidad de conmutación.

Configuraciones

En los BJT, existen tres configuraciones principales que ofrecen diferentes características eléctricas:

• Emisor común: Es la configuración más usada en amplificación. Ofrece alta ganancia de corriente y moderada ganancia de voltaje.
• Base común: Tiene una impedancia de entrada baja y una ganancia de corriente cercana a la unidad, pero con alta ganancia de voltaje.
• Colector común: También conocido como seguidor de emisor, proporciona una impedancia de salida baja, ideal para aplicaciones de adaptación de impedancia.

Para los JFET, una de las configuraciones más comunes es la de drenador común, que actúa como un seguidor de fuente, similar al seguidor de emisor en BJT. Es muy utilizado en circuitos de buffer.

Hoja de Datos

Cuando se revisa la hoja de datos de un transistor, hay varios parámetros clave a considerar para asegurarse de que sea adecuado para la aplicación:

1. HFE o β (Ganancia de Corriente en un BJT): Este parámetro mide la amplificación de corriente que un transistor es capaz de proporcionar. En un BJT (Transistor Bipolar de Unión), la corriente que pasa entre el colector y el emisor es proporcional a la corriente que se inyecta en la base. El valor de HFE te dice cuántas veces la corriente de base será amplificada en la salida del colector.
• 🖍️ Ejemplo: Si tienes un HFE de 100 y aplicas 1 mA en la base, obtendrás 100 mA en el colector.
• 🧪 Importancia práctica: Un transistor con una ganancia alta se utiliza en aplicaciones donde se necesita amplificar señales débiles.
2. Vce(sat) (Voltaje de Saturación del Colector-Emisor): Es el voltaje mínimo necesario entre el colector y el emisor para que el transistor funcione como un interruptor cerrado (saturado). En este modo, el transistor está completamente encendido y permite que la corriente fluya desde el colector al emisor.
• 🖍️ Ejemplo: Si Vce(sat) es 0.2 V, significa que cuando el transistor esté saturado, habrá una pequeña caída de tensión de 0.2 V entre el colector y el emisor.
• 🧪 Importancia práctica: Cuanto más bajo sea este voltaje, más eficiente será el transistor cuando actúa como un interruptor. Un Vce(sat) alto implica pérdidas de energía.
3. IC (Corriente del Colector Máxima): Este es el valor máximo de corriente que el colector puede soportar sin dañarse. Exceder este valor puede sobrecalentar o incluso destruir el transistor.
• 🖍️ Ejemplo: Si IC es 500 mA, esto significa que el transistor puede manejar hasta 500 mA antes de que se dañe.
• 🧪 Importancia práctica: Este parámetro te ayuda a seleccionar un transistor adecuado para la cantidad de corriente que esperas que maneje el circuito.
4. VCE (Voltaje Colector-Emisor Máximo): Indica el máximo voltaje que puede haber entre el colector y el emisor cuando el transistor está apagado (en corte), antes de que se produzca un fallo por ruptura.
• 🖍️ Ejemplo: Un valor de VCE de 50 V indica que si aplicas más de 50 V entre el colector y el emisor, el transistor puede dañarse.
• 🧪 Importancia práctica: Es importante elegir un transistor cuyo VCE sea superior al voltaje de alimentación del circuito para evitar que se dañe.
5. IB (Corriente de Base Máxima): Este es el valor máximo de corriente que puede pasar por la base sin dañar el transistor. Si se aplica más corriente de la permitida, se puede fundir el transistor.
• 🖍️ Ejemplo: Si IB es 50 mA, no puedes exceder esta corriente en la base, de lo contrario, podrías dañar el transistor.
• 🧪 Importancia práctica: Al diseñar el circuito, debes asegurarte de que la corriente que fluye a la base esté dentro del límite especificado.
6. Pd (Disipación de Potencia Máxima): Es la cantidad máxima de potencia que el transistor puede disipar en forma de calor. Se expresa en vatios (W). Si se excede este valor, el transistor puede sobrecalentarse y dañarse.
• 🖍️ Ejemplo: Si Pd es 500 mW, el transistor puede disipar hasta 500 milivatios de potencia antes de sobrecalentarse.
• 🧪 Importancia práctica: Un diseño eficiente de circuitos debe asegurarse de que el transistor pueda disipar el calor generado durante su operación. Es importante considerar la disipación de calor, especialmente si el transistor está trabajando a altas corrientes.
7. Vbe(on) (Voltaje Base-Emisor de Encendido): Este es el voltaje necesario entre la base y el emisor para que el transistor comience a conducir. En un BJT npn, este voltaje suele ser alrededor de 0.7 V para transistores de silicio.
• 🧪 Importancia práctica: Conocer este valor es crucial cuando diseñas un circuito, ya que define cuánta tensión necesitas aplicar a la base para que el transistor se encienda.
8. Temperatura de operación (Tj - Junction Temperature): Define el rango de temperatura dentro del cual el transistor puede operar de manera segura. Exceder este rango puede resultar en fallos del dispositivo.
• 🧪 Importancia práctica: Es importante asegurarse de que el transistor esté operando en un ambiente donde la temperatura no supere el límite máximo especificado.
9. IDSS (Corriente de Drenador para un JFET): En el caso de un JFET (Transistor de Efecto de Campo de Unión), este parámetro indica la corriente máxima que puede fluir entre el drenador y la fuente cuando la tensión de la compuerta es cero (compuerta completamente cerrada).
• 🖍️ Ejemplo: Si el IDSS es 10 mA, entonces esa es la corriente máxima que puede fluir sin ningún control de la compuerta.
• 🧪 Importancia práctica: Este valor es importante para conocer las características del canal de conducción de un JFET y para calcular el comportamiento del dispositivo en el circuito.
10. Capacitancia de Entrada (Ciss, para FETs): Este valor mide la capacitancia entre la compuerta y el drenador o la fuente en un transistor FET. La capacitancia de entrada es especialmente importante en aplicaciones de alta frecuencia.
• 🧪 Importancia práctica: Cuanto menor sea la capacitancia de entrada, más rápido podrá operar el transistor, lo que es fundamental en aplicaciones de conmutación de alta velocidad.

El transistor 2N2222 es uno de los más ampliamente utilizados en aplicaciones como amplificadores de baja potencia, conmutación de pequeñas cargas (LEDs, relés, motores), osciladores, generadores de señal, circuitos de control y lógica discreta, así como en modulación y demodulación en comunicaciones. También es popular en proyectos DIY y prototipos debido a su bajo costo, alta disponibilidad y confiabilidad. Su capacidad para manejar hasta 800 mA y operar a frecuencias moderadas lo hace versátil en una amplia variedad de circuitos.

Puedes consultar el datasheet del 2N2222 en alldatasheet.

Curvas de corte y saturación

1. Modo de Corte

El modo de corte ocurre cuando el transistor está completamente apagado. En este estado, la corriente que fluye a través del colector $I_C$ es prácticamente cero, ya que la corriente de base $I_B$ no es suficiente para activar el transistor.

⫸ Condición en el modo de corte:

- No hay corriente en el colector: $I_C \approx 0$

- No hay corriente en la base: $I_B \approx 0$

- $V_{CE}$ (voltaje colector-emisor) es máximo: el transistor actúa como un interruptor abierto.

En este modo, la región base-emisor no está polarizada de manera directa. Dado que $V_{BE}$ (voltaje base-emisor) es menor que 0.7V para un transistor de silicio, no se genera corriente de base que permita al transistor conducir.

⫸ Curva de Corte: En la curva característica de $I_C$ vs. $V_{CE}$, el modo de corte se ve como una región plana cercana al eje horizontal en la que, sin importar el valor de $V_{CE}$, la corriente de colector es aproximadamente cero.

2. Modo de Saturación

El modo de saturación ocurre cuando el transistor está completamente encendido, conduciendo la máxima corriente en el colector. En este estado, el transistor actúa como un interruptor cerrado.

⫸ Condición en el modo de saturación:

- $V_{BE}$ es mayor que 0.7V (transistor de silicio) y está polarizada de manera directa.

- La corriente de base $I_B$ es lo suficientemente alta como para saturar el transistor.

- La corriente de colector $I_C$ alcanza su valor máximo y no puede aumentar más, aunque se incremente $I_B$.

- $V_{CE}$ es muy bajo, cercano a cero: el transistor ofrece una muy baja resistencia en este estado.

En saturación, $I_C$ ya no obedece la relación lineal con la corriente de base ($I_C = \beta I_B$) como en el modo activo. En cambio, $I_C$ está limitado por otros factores, como la resistencia del circuito.

⫸ Curva de Saturación: En la curva característica de $I_C$ vs. $V_{CE}$, el modo de saturación se observa cuando, para valores bajos de $V_{CE}$ (cercanos a 0V), la corriente de colector $I_C$ permanece alta y no disminuye significativamente. Aquí, el transistor actúa como un interruptor que permite el paso de corriente.

3. Modo Activo

- La unión base-emisor está polarizada directamente: $V_{BE} > 0.7V$ (para transistores de silicio).

- La unión base-colector está polarizada inversamente: $V_{CE} > V_{BE}$.

- La corriente de colector $I_C$ está relacionada con la corriente de base $I_B$ por el factor de ganancia $\beta$:

$I_C = \beta I_B$

En este modo, el transistor puede amplificar señales de pequeña corriente en la base y producir una mayor corriente en el colector. El voltaje colector-emisor $V_{CE}$ es mayor que la diferencia mínima, pero no tan alto como para que el transistor se apague.

En un transistor BJT, el modo de corte y el modo de saturación son usados comúnmente cuando se utiliza el transistor como un interruptor:

• Corte: Cuando el transistor está en corte, actúa como un interruptor abierto, bloqueando el paso de la corriente.
• Saturación: Cuando el transistor está en saturación, actúa como un interruptor cerrado, permitiendo el paso de la corriente con muy poca resistencia interna.

La transición entre el modo de corte y saturación es crucial en aplicaciones de conmutación como en los circuitos digitales o amplificadores de potencia. También se encuentran los modos de operación activa directa y activa inversa, pero para aplicaciones de conmutación, los modos de corte y saturación son los más importantes.

Parámetros

Antes de entrar en las diferentes configuraciones de polarización de transistores, es importante familiarizarse con los parámetros clave utilizados en los cálculos. Estos parámetros nos permiten analizar el comportamiento del transistor en diferentes puntos de operación.

• Vcc: Voltaje de alimentación.
• Ib: Corriente de base, la corriente que fluye hacia la base del transistor.
• Ic: Corriente de colector, la corriente principal que fluye del colector al emisor.
• Ie: Corriente de emisor, que es la suma de la corriente de base y la de colector. Se expresa como $Ie = Ic + Ib$.
• Vbe: Voltaje entre la base y el emisor, generalmente de 0.7V para transistores de silicio en polarización directa.
• Vce: Voltaje entre el colector y el emisor, que determina el régimen de operación del transistor (activa, saturación, corte).
• β (Beta): Ganancia de corriente en el transistor, es la relación entre la corriente del colector y la corriente de la base $β = \frac{Ic}{Ib}$.
• Re, Rc, Rb: Resistencias conectadas al emisor, colector y base respectivamente, utilizadas en varias configuraciones para estabilizar el punto de operación.

Polarización de Base Fija

La polarización de base fija es la configuración más simple. En esta, una resistencia $Rb$ se conecta entre la fuente de alimentación $Vcc$ y la base del transistor. La corriente de base $Ib$ se determina por $Vcc$ y $Rb$, según la ley de Ohm. La corriente de colector $Ic$ es proporcional a la corriente de base $Ib$ multiplicada por $β$ del transistor.

✧ Ventajas: Simplicidad de diseño.

✧ Desventajas: No ofrece estabilidad ante variaciones de temperatura o cambios en $β$, lo que afecta al punto de operación.

En esta polarización, cualquier cambio en $β$ alterará significativamente la corriente $Ic$, lo que hace que esta configuración no sea muy estable.

Polarización de Retroalimentación del Colector

En la polarización de retroalimentación del colector, una resistencia $Rb$ se conecta entre el colector y la base del transistor. En este caso, la corriente de base $Ib$ se retroalimenta desde el colector a través de $Rb$. Como el voltaje en el colector varía, también lo hace la corriente de base, lo que ofrece una forma de autoajuste para mejorar la estabilidad.

✧ Ventajas: Mayor estabilidad en comparación con la polarización de base fija, ya que la corriente de base se ajusta con los cambios en el colector.

✧ Desventajas: La retroalimentación puede reducir la ganancia del transistor.

Esta configuración es más estable frente a cambios en el valor de $β$, ya que la retroalimentación negativa regula la corriente de base.

Polarización del Transistor de Retroalimentación Dual

En esta configuración, se utilizan dos resistencias, $Rb1$ y $Rb2$, para establecer el voltaje en la base. Una resistencia conecta la base al voltaje de alimentación $Vcc$, mientras que la otra conecta la base a tierra. Esta disposición ayuda a mejorar la estabilidad del transistor, ya que permite fijar el voltaje base en un nivel más constante.

✧ Ventajas: Estabilidad mejorada frente a la polarización de base fija y la retroalimentación del colector.

✧ Desventajas: Requiere más componentes (dos resistencias en lugar de una), lo que complica ligeramente el circuito.

Al mantener una relación estable entre $Rb1$ y $Rb2$, es posible estabilizar la corriente de base $Ib$, lo que reduce la influencia de las variaciones de $β$ en el transistor.

Polarización del Transistor con Retroalimentación del Emisor

La polarización con retroalimentación del emisor incluye una resistencia $Re$ conectada al emisor del transistor, lo que introduce retroalimentación negativa. Este diseño estabiliza aún más el punto de operación del transistor, ya que cualquier cambio en $Ie$ provoca un aumento del voltaje en $Re$, lo que reduce la corriente de base $Ib$.

✧ Ventajas: Alta estabilidad en la corriente $Ic$, ya que la retroalimentación negativa a través de $Re$ compensa cambios en $β$.

✧ Desventajas: Puede reducir la ganancia del transistor.

Esta configuración se utiliza comúnmente en aplicaciones donde es crucial que el transistor mantenga un punto de operación constante, independientemente de las variaciones en $β$ o la temperatura.

Polarización del Transistor Divisor de Voltaje

La polarización con divisor de voltaje es la configuración más estable y la más utilizada en la práctica. Se emplea un par de resistencias $Rb1$ y $Rb2$ para dividir el voltaje $Vcc$ y establecer un voltaje base $Vb$ constante. Además, una resistencia de emisor $Re$ introduce retroalimentación negativa para mejorar aún más la estabilidad.

✧ Ventajas: Estabilidad máxima frente a variaciones en $β$ y temperatura. Control preciso del punto de operación.

✧ Desventajas: Requiere más componentes (varias resistencias), lo que puede aumentar el costo y la complejidad del circuito.

Esta configuración es ideal para amplificadores, ya que permite mantener un punto de operación estable incluso cuando hay cambios en las condiciones del transistor.

Cada tipo de polarización de transistores ofrece diferentes niveles de estabilidad y complejidad. En general, la polarización de base fija es la más simple pero menos estable, mientras que la polarización con divisor de voltaje ofrece la mejor estabilidad a expensas de una mayor complejidad de diseño. La elección de la configuración adecuada dependerá de las necesidades específicas del circuito y de la estabilidad deseada para el punto de operación del transistor.

Cálculo

Polarización fija

En el circuito mostrado, tenemos un transistor NPN polarizado con una fuente de voltaje de $V_{CC} = 12V$. Sabemos que la corriente de base $I_B = 40 \, \mu A$ y el factor de ganancia de corriente del transistor es $\beta = 80$. Además, el transistor es de silicio, por lo que asumimos que la caída de voltaje en la unión base-emisor es $V_{BE} = 0.7V$. El objetivo es encontrar los valores de $I_C$, $R_B$, $R_C$ y $V_{CE}$.

Datos:

• $V_{CC} = 12V$
• $I_B = 40 \, \mu A = 40 \times 10^{-6} A$
• $\beta = 80$
• $V_{CE} = 6V$ (dado en el circuito)
• $V_{BE} = 0.7V$ (transistor de silicio)

Solución:

1. Cálculo de $I_C$ (corriente de colector):

Sabemos que la corriente de colector $I_C$ está relacionada con la corriente de base $I_B$ mediante la fórmula:

$$I_C = \beta \cdot I_B$$

Sustituyendo los valores conocidos:

$$I_C = 80 \times 40 \times 10^{-6} = 3.2 \, mA$$

$I_C = 3.2 \, mA$

2. Cálculo de $R_C$ (resistencia del colector):

La caída de voltaje en la resistencia del colector $R_C$ es:

$$V_{RC} = V_{CC} - V_{CE} = 12V - 6V = 6V$$

Aplicando la ley de Ohm para $R_C$:

$$R_C = \frac{V_{RC}}{I_C} = \frac{6V}{3.2 \times 10^{-3} A} = 1875 \, \Omega$$

$R_C = 1875 \, \Omega$

3. Cálculo de $R_B$ (resistencia de la base):

La tensión en la resistencia $R_B$ es:

$$V_{RB} = V_{CC} - V_{BE} = 12V - 0.7V = 11.3V$$

Aplicando la ley de Ohm para $R_B$:

$$R_B = \frac{V_{RB}}{I_B} = \frac{11.3V}{40 \times 10^{-6} A} = 282.5 \, k\Omega$$

$R_B = 282.5 \, k\Omega$

Conclusiones:

$I_C = 3.2 \, mA$

$R_C = 1875 \, \Omega$

$R_B = 282.5 \, k\Omega$

$V_{CE} = 6V$ (dado)

Polarización por divisor de voltaje

En el circuito mostrado, tenemos un transistor NPN polarizado con una fuente de voltaje de $V_{CC} = 10.6V$. Sabemos que la corriente de base $I_B = 20 \, \mu A$ y el factor de ganancia de corriente del transistor es $\beta = 100$. Además, el transistor es de silicio, por lo que asumimos que la caída de voltaje en la unión base-emisor es $V_{BE} = 0.7V$. El objetivo es encontrar los valores de $I_C$, $V_E$, $V_{CC}$, $V_{CE}$, $V_B$ y $R_1$.

Datos:

• $V_{C} = 10.6V$
• $I_B = 20 \, \mu A = 20 \times 10^{-6} A$
• $\beta = 100$
• $V_{BE} = 0.7V$ (transistor de silicio)
• Resistencia $R_2 = 8.2k\Omega$ y $R_1 = 2.7k\Omega$ (dadas en el circuito)

Solución:

1. Cálculo de $I_C$ (corriente de colector):

Sabemos que la corriente de colector $I_C$ está relacionada con la corriente de base $I_B$ mediante la fórmula:

$$I_C = \beta \cdot I_B$$

Sustituyendo los valores conocidos:

$$I_C = 100 \times 20 \times 10^{-6} = 2 \, mA$$

$I_C = 2 \, mA$

2. Cálculo de $V_E$ (voltaje en el emisor):

Para calcular $V_E$, necesitamos conocer $I_E$, que está dado por:

$$I_E = I_C + I_B$$

$$I_E \approx I_C$$ (considerando que $I_E \approx I_C$ para un transistor en activo)

La resistencia en el emisor $R_E = 1.2k\Omega$ (dada en el circuito). Entonces:

$$V_E = I_E \cdot R_E = 2 \times 10^{-3} A \cdot 1.2 \times 10^{3} \Omega$$

$$V_E = 2.4 V$$

$V_E = 2.4 V$

3. Cálculo de $V_{CC}$:

La caída de voltaje en la resistencia del colector $R_C$ se calcula usando la ley de Ohm:

$$V_{RC} = I_C \cdot R_C = 2 \times 10^{-3} A \cdot 2.7 \times 10^{3} \Omega$$

$$V_{RC} = 5.4 V$$

Entonces, el voltaje total $V_{CC}$ se calcula como:

$$V_{CC} = V_C + V_{RC} = 10.6V + 5.4V = 16.0V$$

$V_{CC} = 16.0V$

4. Cálculo de $V_{CE}$ (voltaje colector-emisor):

La caída de voltaje en el colector se puede calcular como:

$$V_{CE} = V_C - V_E$$

Donde $V_C$ se puede estimar como $V_{CC} - I_C \cdot R_C$. Asumiendo que el colector está conectado a $V_{CC}$, podemos simplificarlo como $V_C \approx 10.6V$ (suponiendo que no hay caída de voltaje significativa):

$$V_{CE} = 10.6 V - 2.4 V = 8.2 V$$

$V_{CE} = 8.2 V$

5. Cálculo de $V_B$ (voltaje en la base):

El voltaje en la base $V_B$ es:

$$V_B = V_E + V_{BE} = 2.4 V + 0.7 V = 3.1 V$$

$V_B = 3.1 V$

6. Cálculo de $R_1$ (resistencia superior del divisor de voltaje usando la Ley de Ohm y LCK):

Vamos a calcular $R_1$ usando la Ley de Ohm y la Ley de Corriente de Kirchhoff (LCK), basándonos en la fórmula: $R_1 = \frac{V_{R1}}{I_{R1}}$, donde $V_{R1} = V_{CC} - V_B$.

Paso 1: Determinamos la caída de voltaje en $R_1$ ($V_{R1}$):

$$V_{R1} = V_{CC} - V_B = 16V - 3.1V = 12.9V$$

Paso 2: Aplicamos la Ley de Corriente de Kirchhoff (LCK) para determinar la corriente a través de $R_1$ ($I_{R1}$):

La corriente $I_{R1}$ se divide entre la resistencia $R_2$ y la corriente de base $I_B$:

$$I_{R1} = \frac{V_B}{R_2} + I_B$$

Sustituyendo los valores:

$$I_{R1} = \frac{3.1V}{8200 \Omega} + 20 \times 10^{-6} A$$

$$I_{R1} = 3.78 \times 10^{-4} A + 20 \times 10^{-6} A$$

$$I_{R1} = 3.98 \times 10^{-4} A$$

Por lo tanto:

$$I_{R1} = 398 \, \mu A$$

Paso 3: Ahora, calculamos $R_1$ usando la Ley de Ohm:

$$R_1 = \frac{V_{R1}}{I_{R1}} = \frac{12.9V}{398 \times 10^{-6} A} = 32.41 k\Omega$$

Conclusión: El valor calculado de $R_1$ es:

$R_1 = 32.41 k\Omega$

Conclusiones:

$I_C = 2 \, mA$

$V_E = 2.4 V$

$V_B = 3.1 V$

$V_{CC} = 16 V$

$V_{CE} = 8.2 V$

$R_1 = 32.41 k\Omega$

Configuración base común

En el circuito mostrado, tenemos un transistor NPN en configuración de base común, conectado a una fuente de voltaje $V_i = 200 \, mV$. La resistencia de entrada $R_i = 20 \, \Omega$ se utiliza para limitar la corriente de entrada al transistor. La resistencia de carga es de $5K \, \Omega$ y la corriente de salida $I_L$ se mide a través de esta resistencia. El objetivo es determinar los valores de $I_L$, $V_L$ y $I_i$ en este circuito.

Datos:

• Resistencia de carga $R_L = 5 \, k\Omega$
• Resistencia de entrada $R_i = 20 \, \Omega$
• Voltaje de entrada $V_i = 200 \, mV$

1. Cálculo de la corriente de entrada $I_i$

La corriente de entrada $I_i$ se puede calcular usando la ley de Ohm para la resistencia de entrada $R_i$:

$I_i = \frac{V_i}{R_i}$

Sustituyendo los valores proporcionados:

$I_i = \frac{200 \, mV}{20 \, \Omega} = \frac{0.2 \, V}{20 \, \Omega} = 0.01 \, A = 10 \, mA$

$I_i = 10 \, mA$

2. Cálculo de la corriente de carga $I_L$

En un transistor con configuración de base común, la corriente de colector $I_C$ es aproximadamente igual a la corriente de entrada $I_i$, ya que:

$I_L \approx I_i$

Por lo tanto, la corriente de carga $I_L$ es:

$I_L \approx 10 \, mA$

3. Cálculo del voltaje en la carga $V_L$

El voltaje en la carga $V_L$ se puede calcular utilizando la ley de Ohm para la resistencia de carga $R_L$:

$V_L = I_L \times R_L$

Sustituyendo los valores:

$V_L = 10 \, mA \times 5 \, k\Omega = 0.01 \, A \times 5000 \, \Omega$

$V_L = 50 \, V$

4. Cálculo del factor de amplificación

El factor de amplificación de voltaje $A_V$ para la configuración de base común se puede calcular con la siguiente fórmula:

$A_V = \frac{V_L}{V_i}$

Sustituyendo los valores:

$A_V = \frac{50 \, V}{0.2 \, V} = 250$

Por lo tanto, el factor de amplificación de voltaje es:

$A_V = 250$

Conclusiones:

Corriente de entrada $I_i = 10 \, mA$
Corriente de carga $I_L \approx 10 \, mA$
Voltaje en la carga $V_L = 50 \, V$
Factor de amplificación $A_V = 250$

Sistemas y Conexiones de Transistores

A lo largo del tiempo, se han desarrollado diferentes configuraciones y sistemas de conexión para optimizar el rendimiento de los transistores en situaciones específicas.

1. Configuración en Cascada:

En la configuración en cascada, los transistores están dispuestos en serie. La salida de un transistor se conecta a la entrada del siguiente. Esto permite que la señal de salida de un transistor se amplifique en la siguiente etapa.

Cada transistor amplifica la señal de entrada de forma secuencial. Por ejemplo, si un transistor tiene una ganancia de 10 y el siguiente tiene una ganancia de 10 también, la ganancia total es de 100 (10 x 10). Esta configuración se utiliza principalmente para obtener alta ganancia de voltaje.

La configuración en cascada, también conocida como configuración en tándem, utiliza múltiples etapas de transistores para mejorar la amplificación de señales. En este arreglo, la salida de un transistor se alimenta a la entrada de otro, permitiendo una amplificación incremental a través de varias etapas. Esta técnica es especialmente útil en aplicaciones donde se requiere una alta ganancia de voltaje o corriente, pero con una buena estabilidad y respuesta en frecuencia.

Las configuraciones en cascada se utilizan con frecuencia en amplificadores de radiofrecuencia, debido a que permiten la amplificación de señales débiles sin añadir demasiado ruido al sistema. Además, la cascada es útil en circuitos donde se necesitan múltiples etapas para lograr la ganancia deseada sin comprometer la linealidad del amplificador.


2. Configuración Push-Pull:

La configuración push-pull es una técnica de conexión de transistores que utiliza dos transistores (pueden ser NPN y PNP) para controlar la salida de un circuito de forma eficiente. En esta configuración, uno de los transistores está encargado de "empujar" la corriente hacia la carga, mientras que el otro "tira" de la corriente hacia tierra. Esta disposición permite que ambos transistores trabajen de manera complementaria, maximizando la eficiencia y el rendimiento del circuito.

En un circuito push-pull, cuando el transistor NPN se activa (o "empuja"), proporciona la corriente necesaria a la carga desde la fuente de alimentación (Vcc). Al mismo tiempo, el transistor PNP se apaga, evitando que la corriente fluya hacia tierra. Cuando la señal de entrada cambia, el transistor PNP se activa y "tira" de la corriente hacia la carga, mientras que el transistor NPN se apaga. Esta alternancia de activación y desactivación entre los dos transistores permite una conmutación rápida y eficiente.

La configuración push-pull es comúnmente utilizada en amplificadores de potencia, circuitos de audio y fuentes de alimentación conmutadas. Una de las principales ventajas de esta configuración es su capacidad para proporcionar una alta corriente a la carga, lo que la hace ideal para aplicaciones que requieren un mayor rendimiento. Además, la configuración push-pull minimiza la distorsión de la señal y mejora la linealidad, lo que resulta en una mejor calidad de sonido en aplicaciones de audio.


3. Conexión Darlington:

En una conexión Darlington, se utilizan dos transistores NPN o PNP en serie. El emisor del primer transistor está conectado a la base del segundo transistor. Esto significa que la corriente que fluye a través del primer transistor se amplifica aún más por el segundo.

La corriente de base del primer transistor activa el segundo transistor, permitiendo que una pequeña corriente de entrada en la base del primer transistor produzca una corriente de salida mucho mayor en el colector del segundo transistor. La ganancia total de corriente de la configuración es aproximadamente el producto de las ganancias individuales de ambos transistores (β1 × β2).

La conexión Darlington es una configuración de dos transistores dispuestos de tal manera que el colector del primer transistor está conectado a la base del segundo. Esta configuración se usa principalmente para aumentar la ganancia de corriente. En esencia, la corriente base del primer transistor se amplifica por el segundo transistor, resultando en una ganancia total que es el producto de las ganancias de ambos transistores. La ventaja principal de esta configuración es la alta ganancia de corriente, lo que permite manejar corrientes más grandes con una corriente base pequeña. Sin embargo, una desventaja es el incremento en el voltaje de encendido, ya que la unión base-emisor requiere aproximadamente el doble del voltaje para encenderse, debido a que dos transistores están en serie.

Aplicaciones típicas del transistor Darlington incluyen controladores de motores, fuentes de alimentación y amplificadores de alta ganancia. Su uso en estas áreas se debe a su capacidad para manejar corrientes elevadas y amplificar señales muy débiles.


4. Conexión Totem-Pole:

En la configuración totem-pole, dos transistores están dispuestos uno encima del otro. Un transistor está encargado de llevar la salida a un nivel alto (supply o Vcc) y el otro a un nivel bajo (GND).

En esta configuración, solo un transistor está activo a la vez, lo que significa que uno se enciende mientras el otro se apaga. Esto permite una conmutación rápida entre los estados alto y bajo, lo que es útil para aplicaciones digitales.

La conexión totem-pole es una configuración que se emplea principalmente en circuitos de salida de alta velocidad, como los circuitos lógicos y de conmutación. En esta configuración, dos transistores están dispuestos uno encima del otro (de ahí el nombre "totem-pole"). Un transistor se utiliza para conducir la corriente en un ciclo positivo, mientras que el otro transistor maneja la corriente en el ciclo negativo. Esto permite que la salida sea alternadamente llevada a un estado alto o bajo, con transiciones rápidas entre estos estados.

La configuración totem-pole es comúnmente utilizada en los circuitos de salida de compuertas lógicas TTL (Transistor-Transistor Logic) y otros circuitos de conmutación. Una de las principales ventajas de esta configuración es que permite una conmutación rápida, lo que la hace ideal para aplicaciones de alta frecuencia. Sin embargo, también puede generar más ruido debido a las rápidas transiciones de estado.

Modelo Equivalente de Parámetros h

En el estudio de los transistores bipolares de juntura, es fundamental entender el modelo equivalente, especialmente para el análisis de pequeñas señales. Este modelo se representa a menudo como un circuito que incluye componentes específicos que caracterizan el comportamiento del transistor.

El modelo equivalente incluye la resistencia de entrada h_ie y la conductancia de salida h_oe, junto con la ganancia h_fe. En este contexto, h_ie representa la resistencia de entrada del transistor, que indica cuánta resistencia presenta el transistor frente a la señal de entrada. Por otro lado, h_oe se refiere a la conductancia de salida, que es una medida de cómo el transistor permite que la corriente fluya a través de él cuando se presenta una señal de salida. Finalmente, h_fe es la ganancia del transistor en términos de señal, indicando cuántas veces se amplifica la corriente de entrada en la salida.

Este modelo se conoce como "Modelo Híbrido π" o "Modelo de Parámetros h", y es esencial para el análisis de circuitos que utilizan transistores en aplicaciones de amplificación. Al emplear este modelo, los ingenieros pueden predecir el comportamiento del transistor en condiciones de operación específicas, lo que resulta crucial para el diseño y optimización de circuitos electrónicos.

Este circuito ilustra la configuración de un transistor en modo divisor de voltaje. La señal de entrada se aplica a la base del transistor, donde se espera que la corriente se amplifique. A través de una serie de componentes pasivos, como resistencias y capacitores, donde se establece un punto de operación que permite que el transistor funcione adecuadamente dentro de sus límites. Este tipo de montaje es común en diversos circuitos electrónicos donde se requiere un manejo efectivo de las señales eléctricas.

A continuación se muestran varios esquemas relacionados con el análisis de circuitos con transistores BJT. En la parte superior izquierda, se presenta un circuito amplificador con un transistor configurado en emisor común. El voltaje de entrada $v_s$ pasa por una red de polarización de base, formada por las resistencias $R_1$ y $R_2$, que ajustan el voltaje base del transistor para que funcione en su región activa. El transistor tiene conectada una resistencia en el colector $R_C$, y la carga $R_L$ está acoplada a través de un capacitor, que bloquea la corriente directa pero permite pasar la señal alterna amplificada.

En la parte inferior izquierda, se representa el mismo circuito utilizando su modelo híbrido-π, que es un modelo de pequeñas señales para analizar el comportamiento dinámico del transistor. En este modelo, la base y el emisor están conectados a través de la resistencia de entrada $h_{ie}$, mientras que el colector y el emisor están conectados a través de la transconductancia $g_m \cdot V_B$, donde $g_m$ es la ganancia de transconductancia y $V_B$ es el voltaje base-emisor. También se incluye la resistencia $1/h_{oe}$, que representa la salida del transistor.

La parte superior derecha muestra una versión más detallada del circuito con los capacitores de acoplamiento $C_S$, $C_E$ y el capacitor de carga $C_L$, que son usados para aislar las diferentes etapas del circuito. Los capacitores permiten el paso de las señales alternas mientras bloquean las componentes de corriente directa. El circuito también incluye la resistencia de emisor $R_E$, que estabiliza la polarización del transistor, y un capacitor $C_E$ que cortocircuita $R_E$ para señales alternas, mejorando la ganancia del amplificador.

Cálculo

En la siguiente imagen se presenta un circuito en el cual se están analizando las impedancias de entrada y salida del transistor. Se definen varios valores como $h_{ie}$, $h_{fe}$, y $h_{oe}$ que representan los parámetros híbridos del transistor, junto con resistencias asociadas a las redes de entrada y salida. Se calculan las impedancias de entrada ($R_i$) y las combinaciones en paralelo de resistencias como $R_{iA}$ y $R_{is}$, que representan las impedancias vistas desde distintos puntos del circuito. El proceso continúa con el cálculo de $R_o$ como el inverso de $h_{oe}$, y luego se calculan $R_{oA}$ y $R_{os}$, que representan la resistencia de salida ajustada por las resistencias del colector y la carga. Finalmente, se muestran los valores calculados para estas resistencias.

A continuación se está derivando la expresión de la ganancia de tensión en la primera etapa del amplificador, $A_{v1}$. Se comienza aplicando un divisor de tensión para calcular $v_B$, la tensión en la base del transistor. Utilizando las impedancias de entrada previamente calculadas, se obtiene la relación entre $v_B$ y $v_s$, lo que finalmente lleva a una expresión para $A_{v1}$, que depende de la relación entre las resistencias $R_{iA}$ y $R_{is}$. Este análisis es importante para entender cómo las resistencias afectan la ganancia de tensión en la primera etapa del amplificador.

Después se continúa con el análisis para la segunda etapa del amplificador, calculando la ganancia de tensión $A_{v2}$. Aquí se analiza el circuito del colector del transistor, utilizando la corriente $i_c$ que se relaciona con la corriente base $i_B$ a través del parámetro de ganancia de corriente $h_{fe}$. Se aplica la ley de Ohm para relacionar la corriente del colector con la caída de tensión en $R_{os}$, y finalmente se obtiene la ganancia de tensión en la segunda etapa, que depende del producto de $h_{fe}$ y $R_{os}$, dividido por $h_{ie}$, la resistencia de entrada del transistor. Este análisis permite obtener la ganancia total del amplificador.

Por último se presenta el proceso para calcular la ganancia total del amplificador, $A_{vs}$, que es el producto de las ganancias de tensión de las dos etapas anteriores, $A_{v1}$ y $A_{v2}$. Este enfoque se basa en la premisa de que el amplificador está compuesto por dos etapas en cascada, donde la salida de la primera etapa se convierte en la entrada de la segunda. La expresión para $A_{vs}$ se puede expresar como $A_{vs} = A_{v1} \cdot A_{v2}$. Al multiplicar las expresiones obtenidas previamente para $A_{v1}$ y $A_{v2}$, se obtiene una nueva fórmula que representa la ganancia total del sistema. Este método permite simplificar el análisis de amplificadores en cascada y resalta cómo las características de cada etapa influyen en el comportamiento global del amplificador. Este cálculo es crucial para el diseño de circuitos amplificadores en diversas aplicaciones electrónicas.