CONOCIMIENTOS BÁSICOS

El transistor BJT

Los transistores BJT son elementos muy versátiles. Se pueden conectar dentro de un circuito de muy diferentes maneras, obteniendo distintos comportamientos. Por ejemplo se puede conseguir ganancia en tensión, en intensidad de corriente o en ambas, según la clase configuración. Hay tres tipos de configuraciones básicas del transistor BJT: emisor común, colector común y base común.

Es evidente que los transistores no se utilizan como elemento único en los circuitos sino que forman parte de una "red" más o menos complicada de elementos unidos entre sí.

Un transistor en el seno de un circuito se ve afectado por las distintas intensidades de corriente que lo atraviesan y por las tensiones a las que están sometidos sus terminales.

Como ya se sabe, un transistor, al tener tres terminales, se puede conectar de varias formas. Cada manera de conectarlo se llama "configuración", y según como esté unido se va a comportar de una forma u otra. Existen tres tipos de configuraciones básicas para el transistor BJT, a saber: emisor común (EC), base común (BC) y colector común (CC). En la figura 1 correspondiente están representados estos tres tipos de circuitos, prescindiendo de cualquier otro elemento, como pueden ser baterías,  condensadores. El nombre de "común" se le da al terminal del transistor que es compartido por la entrada y la salida.

Figura 1. Las tres configuraciones básicas

1.2 Modos de trabajo

Figura 2. Bipolar Junction Transistor.

En la figura 3 se muestra al BJT con el modo de polarización activa. Este modo se podría asemejar a un grifo normal y corriente por el que fluye agua. El agua sería la corriente de colector y abrir o cerrar un poco el grifo equivaldría a variar el potencial Vbe. El resultado sería un aumento o disminución en el chorro de agua que en el transistor se traduciría en un aumento o disminución de la corriente del colector, Ic. De ahí que se diga que el transistor cuando trabaja en modo activo director se comporta como una fuente de corriente controlada.

El segundo modo se denomina de corte, que se produce cuando las dos uniones están polarizadas de forma inversa. Puede compararse con dos diodos colocados de forma opuesta al paso de la corriente. Como ya se sabe, en este caso no circula corriente apreciable, razón por la que se llama modo de corte. Se puede decir que, en este caso, el transistor se comporta como un interruptor abierto.

Si, por el contrario, se tienen las dos polarizaciones de forma directa, se dice que el transistor está en modo de saturación. Aquí, las corrientes circulan como si "prácticamente" no existiese transistor alguno. El transistor en, este caso, se comporta como un circuito cerrado.

Los modos de corte y saturación son "comportamientos interruptor" que, serán utilizados en electrónica digital debido a esta cualidad.

1.3 Curvas características

Los fabricantes proporcionan esta información para evitar que el usuario la tenga que deducir a base de hacer medidas. A primera vista, lo más lógico es que el fabricante diese una tabla con todos los valores posibles de las corrientes según los valores de los potenciales. Este sistema sería un tanto tedioso. Sin embargo, existe una forma mucho más completa de proporcionar esta información que consiste en dar la "curva característica" del transistor. La curva característica de un transistor es una gráfica donde, en el eje horizontal, está representado el valor del potencial entre el colector y el emisor, Vce y en el eje vertical el valor de la corriente del colector, Ic. Cada línea, a su vez, corresponde a una corriente de base, Ib, distinta. Observando pues la curva característica de un transistor se puede saber cómo funciona éste, según las condiciones a que esté expuesto. Sin embargo, si únicamente se dispone de esta gráfica no resultará muy útil, ya que lo que interesa de verdad es saber el comportamiento del transistor en un circuito concreto, no en general. Al poner un transistor en un circuito, en realidad, lo que se está haciendo es limitar los valores posibles que pueden tomar sus terminales. Por ejemplo, si en un circuito se tiene el colector a ocho voltios y el emisor a tierra ( 0 voltios ) la diferencia de potencial entre ambos es, como mucho, de 8 voltios; pero nunca podrá ser mayor. A efectos prácticos esto se traduce en que existe una recta (llamada recta de carga) que depende del circuito en cuestión, la cual representa todos esos valores posibles. Solapando esta recta junto con la curva característica del transistor se obtiene gráficamente la respuesta del transistor en ese circuito.

En la figura 4 se ilustra la característica de salida generalizada de un transistor BJT.  A parte de esta curva, también es posible obtener las curvas características de entrada y de transferencia.  En los anexos 1, 2 y 3 se ilustran las características de entrada, salida y transferencia, respectivamente, para dos transistores de marcas reconocidas.

La corriente del colector que está totalmente relacionada con la corriente del emisor, si Ie aumenta o disminuye,  Ic hará lo mismo. Ic también se encuentra relacionada con la corriente de la base, Ic es proporcional a Ib cuando el transistor está trabajando en modo activo. La relación que existe es exactamente la siguiente: Ic = bIb, siendo b lo que se denomina ganancia del transistor y es una característica de éste que nos da el fabricante.

Una de las curvas más importantes de un transistor es la curva del área de máxima seguridad "SOA" (Sfae Operation Area).  En el funcionamiento en continua, este área define la región de posibles combinaciones de I_C - V_CE dentro de la cual el punto de trabajo puede estar sin daño y sin disminución de la fiabilidad del transistor.  Esta curva se ilustra en el anexo 4.

1.4  La configuración Emisor Común (EC)

Para entender las propiedades de este tipo de configuración se analiza un transistor tipo PNP. Se tiene la unión base-emisor, Je, polarizada directamente y la unión emisor-colector, Jc, inversamente polarizada. Se aplica una tensión a la base y otra al colector y se tienen dos resistencias, Rb conectada a la base y Rc conectada al colector.

El valor de la corriente de base va a depender del valor de la resistencia Rb, la corriente que circula por el colector, Ic, depende de la corriente de base, Ib, como se indica con la formula Ic = bIb, donde b es el factor de amplificación de corriente o ganancia - corriente de colector; Ic es mucho más grande que Ib y ese aumento viene dado por b, que es un parámetro característico del transistor operando con el modo de polarización activa.

Al pasar la corriente por Rc se va a producir una caída de potencial; luego, la tensión que se obtiene a la salida, también va a depender del valor de esta resistencia. Es posible colocar una resistencia en el emisor, Re, que va a perjudicar mucho la amplificación de tensión, pero va a hacer que el transistor sea mucho más estable y no le afecten los cambios de la temperatura.

Aumentando o disminuyendo los valores de las tres resistencias es posible conseguir corrientes y tensiones diferentes en los tres terminales. Por ejemplo, si se aumenta la resistencia de base el valor de la corriente Ib será menor, lo que implicará que Ic también sea menor, y al pasar una corriente de colector menor a través de Rc, el potencial que se obtendrá a la salida será mayor; pero si se disminuye Rb aumenta Ib y con ella la corriente de colector, y la tensión de colector disminuirá.

Disminuyendo mucho la resistencia de base se puede llegar a un punto en el que se pasa de la zona de activa a la de saturación, es decir, que la unión colector-base, que está inversamente polarizada en activa, pase a estar directamente polarizada y, por lo tanto, en saturación. Esto se produce porque Ib aumenta y, en consecuencia, Ic también aumenta.

Si un circuito está trabajando en zona activa, el transistor se comporta de forma lineal. Es decir, que a iguales variaciones de la corriente de base, Ib, se producen iguales variaciones de la corriente de colector, Ic. El primer punto en el cual al aumentar Ib ya no aumenta Ic pertenece a la zona de saturación.

También es posible modificar los valores de la corriente de base, de colector y de la tensión de salida "jugando" con la tensión de entrada o con la resistencia de colector.

Una característica muy importante dentro de un circuito es determinar su punto de operación. La corriente continua, y la tensión en cada terminal del transistor determinan el punto de funcionamiento de un circuito. Este punto, conocido también como punto de reposo, se encuentra situado en la recta de carga.

Para saber cuál es el punto de operación de un transistor hay que determinar el valor de Vc, potencial de colector, Vb potencial de base, e Ic corriente de colector cuando el potencial trabaja en zona activa. Para determinarlas se puede usar las curvas características que representan a un transistor, o también hallar el punto matemáticamente, usando dos fórmulas ya conocidas, la ley de Ohm V=IR y la igualdad Ic=bIb. Combinando correctamente ambas fórmulas es posible determinar los datos que se necesitan para obtener el punto de funcionamiento.

1.5 Efectos de la temperatura

Un factor muy importante, capaz de desestabilizar a los transistores y que todavía no se ha tomado en cuenta, es la temperatura.

Se sabe que los semiconductores pueden permitir el paso de corriente, pero necesitan una pequeña ayuda; se les puede dopar, o aumentar la temperatura, para que circulen los electrones. Pues bien, los transistores son uniones PN, y los materiales tipo P y tipo N son semiconductores dopados, luego van a permitir el paso de la corriente. Pero, por ser semiconductores, les va a influir mucho una variación de temperatura.

En el anexo 5 se ilustra los cambios que presenta el voltaje colector – emisor ante cambios de temperatura cuando el transistor opera en el límite de la región de saturación.

Si se tiene un circuito de emisor común "aparentemente" estable, con un punto de funcionamiento definido, se puede producir una gran inestabilidad con un aumento de temperatura. Esto sucede porque al aumentar la temperatura se incrementa la corriente del colector, aunque la corriente de base permanezca constante. Este incremento en Ic produce que la caída de potencial en la resistencia Rc sea mayor, luego la tensión Vc va a ser menor. La consecuencia inmediata de este hecho es que el punto de funcionamiento se va a desplazar. Esto ocurriría  en el mejor de los casos porque incluso puede llegar a producirse la destrucción del transistor.

En el anexo 6 se ilustra la dependencia que presenta b de la temperatura para el transistor BUD600 de Temic.

La primera solución para evitar que se produzca un aumento de la temperatura es colocar un ventilador, o "algo" que baje la temperatura cuando esta aumente y la mantenga siempre constante. Pero esto tiene dos inconvenientes, el primero es que resulta muy costoso y el segundo que ocupa mucho espacio, y al diseñar un circuito electrónico siempre se tiende a reducir el espacio al máximo.

            Si se tiene un circuito con PNP, que es el que se está analizando desde el principio, cuanto más grande sea Re más negativa va a ser la tensión Ve; hacer la tensión de emisor más negativa es exactamente igual que hacer la tensión de base más positiva; la unión emisor-base va a estar "menos" directamente polarizada y esto va a producir que el transistor conduzca menos. Luego, se compensa el aumento de la corriente de colector, debido al aumento de la temperatura, con la disminución de esta misma corriente debida a la disminución de la corriente que circula por el transistor al estar "menos" directamente polarizado. Conectar Re produce una desventaja para nuestro circuito, y ésta es la disminución de la ampliación de tensión en el transistor. Este es el precio que tenemos que pagar para que nuestro circuito sea estable.

Esta es la configuración de emisor común de un transistor, que es la más utilizada en los circuitos electrónicos debido a la ganancia producida tanto en tensión como en corriente. Además de esta configuración, existen otros dos tipos base común y colector común. Con la primera, se obtiene una importante amplificación en tensión, aunque la amplificación en corriente es prácticamente despreciable. En la segunda ocurre al contrario, la amplificación en corriente es muy importante mientras que la amplificación en tensión es prácticamente despreciable.

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