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14.7 Aplicación práctica del transistor
14.7.1 Polarización del transistor
Polarizar el transistor es aplicarle unas determinadas tensiones y corrientes adecua- das al tipo de aplicación que se le vaya a dar. De una forma general y sencilla, en un NPN, se necesita aplicar una tensión positiva entre colector y emisor, y una corrien- te en la pati lla base (que permiti rá el control de la corriente de colector−emisor). Hay que saber que una tensión aplicada entre los terminales colector−emisor, si a la base no se aplica corriente, no da lugar a corriente colector−emisor (porque entre colector−emisor es como dos diodos en contrasentido (figura 14.15). En general, se necesita polarizar de forma directa la unión base−emisor, para que circule una cierta corriente de base (que normalmente es muy pequeña, μA o mA); y ésta es la corriente de entrada que dará lugar a una corriente entre colector−emisor (la corriente de salida), que procederá de la fuente de alimentación ( VCC ).
+ V CC
I = 0
B
C
E
+ V CC
I = 0
+ V CC
C
N
N
P
E
B
Figura 14.15. Si no se aplica corriente de base, no existe circulación de corriente entre colector y emisor; el transistor se dice que está en corte (o bloqueado).
14.7.2 El circuito fundamental:
Montaje en emisor común
La aplicación más común, la más conocida, se llama montaje en emisor común. En la figura 14.16 se muestra un circuito práctico de ejemplo, basado en un transistor NPN, que nos sirve para su estudio. Aparecen dos fuentes de tensión; una ( VCC ) que se aplica entre el circuito de colector y emisor, y otra ( V (^) BB ) para polarizar la unión base−emisor de forma directa (y que pueda así circular una determinada corriente de base). Como más adelante se verá, la polarización se puede realizar también con una sola fuente de tensión ( VCC ) y mediante resistencias aplicar la corriente de base. Este primer circuito de polarización, por cuestiones tradicionales, se hace así; pero más adelante se polarizará mediante una sola fuente de alimentación. Puesto que entre base−emisor, internamente, es como un diodo (unión P-N), al aplicar tensión positiva entre la base y emisor puede circular una cierta corriente (corriente de base, IB ), y aparece entre base y emisor una tensión de unos 0,7 V (la tí pica caída directa de un diodo). Para que la corriente de base sea la adecuada, se limita ésta con una resistencia ( RB ). Es muy importante saber que el terminal base siempre se conectará a través de una resistencia. La intensidad que circulará, la intensidad de base, será pues:
Ejemplo
Si V (^) BB = 12 V y R (^) B = 22 kΩ, la intensidad de base será:
RB
RC
V BB
IB
I E = IB
IE = IB + IC
0,7 V
V CC
Hay que tener en cuenta que la unión base−emisor se comporta como un diodo de muy pequeña potencia; o sea, cuando se polariza de forma directa aparece una tensión típica de unos 0,7 V y la corriente será normalmente muy baja (entre μA y pocos mA). Esto es así en general en los transistores de baja potencia, por ejemplo, el transistor BC 547. En transistores de mayor potencia, la corriente de base puede ser mayor, pero las consideraciones son las mismas.
14.7.3 Factor de amplificación del transistor (β) Como ya se debe saber, el efecto transistor consiste en que una pequeña corriente de base da lugar a una corriente de colector que puede ser mucho mayor; se produ- ce un efecto de amplificación. Básicamente, dependiendo del tipo de transistor, este factor puede ser mayor o menor y se representa por el símbolo β. Dicho factor de ganancia se expresa por la relación entre la corriente de colector y la corriente de base:
Esta expresión se puede considerar como la primera fórmula fundamental en el transistor, la que representa el factor de amplificación, la ganancia de corriente del transistor.
Figura 14.16. Circuito de polarización básica del transistor.
Señal de entrada
Señal de salida:
ν CE
0 V
VCE
RB
RC
V BB
IB
i (^) C = i (^) B
ν CE = V (^) CC – i (^) C RL
V BE ≅ 0,7 V
+ V CC
Figura 14.17. Principio del circuito de una etapa amplificadora lineal. La señal de entrada produce pequeñas variaciones en la corriente de base que, por el efecto de amplificación del transistor, dan lugar a variaciones mucho mayores en la corriente de colector y a la vez en la tensión de colector (señal de salida).
En general, cuando se trata de señales variables, éstas se representan por letras mi- núsculas; por ello, en este caso, las señales de colector (tensión o corriente) se han puesto como v (^) C e iC. Esto se hace para diferenciar las corrientes o tensiones fijas de polarización (que se representan por mayúsculas) de las señales que se procesan. En la base del transistor se encuentra una tensión fija de polarización proporcionada por la fuente de tensión V (^) BB a través de la resistencia R (^) B ; esta tensión de polarización se representa por VBE y es de unos 0,7 V. Y en el colector también se encuentra una tensión fija de polarización, que cuando el transistor ti ene que operar de forma lineal (como es este caso) debe hacerse que sea la mitad de la tensión de alimen- tación:
Pues estas tensiones de polarización se ven afectas por la señal de entrada. La ten- sión fija de base de unos 0.7 V, al aplicar la señal de entrada, se ve afectada por las variaciones de ésta (unos pocos mV); y estas pequeñas variaciones aparecen en el colector con una amplitud mucho mayor (amplificada). Este mismo circuito, de una forma más completa, se corresponde con el circuito de ejemplo que se mostró en la figura 14.8, realizado en base a un transistor NPN tipo BC 547.
14.9 Intensidades y tensiones
en el transistor
La intensidad que se considera de salida es la de colector (aunque hay aplicaciones donde la corriente de salida es la de emisor) que, según el sentido convencional de la corriente, circulará de colector a emisor (transistor NPN, polaridad positiva en el colector). La pequeña corriente de base hará que, de alguna manera, entre colector y emisor la resistencia se reduzca y la tensión VCC (aplicada entre el circuito colector y emisor) pueda dar lugar a una determinada magnitud de corriente.
Dependiendo del factor β y la magnitud de la corriente de base (dentro del margen determinado) la intensidad de colector podrá ser menor o mayor (siempre que el circuito de carga, RC en este ejemplo, y la VCC lo permita).
Ejemplo
Si la corriente de base es de IB = 0,1 mA y la de colector de I (^) C = 200 mA, la corriente de emisor es:
Es muy importante saber que las variaciones de corriente aplicadas en la base se manifiestan de forma amplificada en la corriente de colector. Por el terminal emisor circula la corriente de base y también la de colector; pode- mos ver este terminal como un nudo donde concurren estas dos corrientes. Por eso, aparece otra fórmula fundamental en el transistor que es:
Como se deduce fácilmente, la intensidad de colector y emisor son casi del mismo valor, y esto es así cuanto mayor sea el factor β. Por ello, en la práctica se puede llegar a considerar que IC ≅ IE. Pero hay que tener en cuenta que esto ti ene un error mayor cuanto más pequeño sea β. En transistores de baja ganancia (como ocurre en según qué transistores de cierta potencia) hay que considerar siempre la IB.
14.9.1 El transistor polarizado Efecto de amplificación Teniendo en cuenta el circuito práctico de polarización, o sea, las corrientes de base y de colector, en la figura 14.18 se representa de forma más detallada el efecto de amplificación del transistor.
RB B
C
E
RC
V BB
V CC
IB
IC
Corriente electrónica > 99 %
N
P
IE = IB + IC
Unión colector-base: Polarización inversa. V (^) BC > V (^) BE
Unión base-emisor: Polarización directa. V (^) BE = 0,7 V
Figura 14.18. Transistor NPN polarizado en su zona activa, en el cual se representa el efecto de amplificación.
Al polarizarse el transistor en su zona activa, la mayoría de electrones que salen del emisor son captados por el colector (más de 99 %) y sólo unos pocos electrones (menos del 1 %) se pueden recombinar en la base. La intensidad de base es muy pequeña, pero controla un flujo grande de electrones que consti tuye la intensidad de colector; cualquier variación en la corriente de base se transmite a la corriente de colector (si el transistor está polarizado en su forma activa).
14.10 El transistor operando en conmutación
Cuando el transistor se hace funcionar en conmutación, el transistor puede tomar dos estados de polarización, que se llaman:
- Corte (o bloqueo)
- Saturación
En la figura 14.20 se muestra un circuito básico general que trabaja en conmutación, cuyo objetivo es comprender el comportamiento del transistor cuando se utiliza de esta manera, lo cual es muy importante porque su aplicación es fundamental; así es como opera el transistor en los circuitos digitales. Por ejemplo, en los circuitos integrados microprocesadores, que pueden haber millones de transistores (MOS) en el chip, sus circuitos operan en conmutación. De esta forma se tratan físicamente los dígitos binarios, los bits; como niveles de tensión definidos, que se llaman niveles lógicos. Existe un estado lógico que se llama nivel alto ( high ), que se representa por un 1 , y físicamente es una tensión típica- mente de 5 V. El otro estado lógico se llama nivel bajo ( low ), que se representa por 0 , y físicamente se corresponde con el potencial de masa (0 V). Pues una señal, una línea, que pueda tomar estos dos estados ( 0 y 1 ) da lugar a un bit , que es la mínima expresión de un dígito binario.
R (^) B Corte
Saturación
Señal de Mando: Abierto ⇒ saturación Cerrado ⇒ corte
RC
IB
+ V CC
0 V
Salida
V (^) CE = V (^) CC – IC R (^) C
CC C CC
V
I
R
V CE = V CC
V CE ≈ 0 V
Figura 14.20. Ejemplo de circuito básico general que trabaja en modo conmutación. De esta manera, operan los transistores en los sistemas digitales.
14.10.1 Estado de corte
El transistor se encuentra en estado de corte, también llamado de bloqueo, cuando no circula corriente de colector, debido a que la base no está polarizada ( IB = 0). En dicho estado, en las aplicaciones prácticas, en el colector se mide una tensión muy próxima a la tensión de alimentación ( VCC ); ya que al no circular corriente de colector tampoco se produce caída de tensión en la resistencia RC.
En el circuito de la figura 14.20, el estado de corte se da cuando el interruptor de mando está cerrado; entonces, la base se encuentra conectada a masa (0 V) y esto hace que no exista corriente de base, por lo cual VBE = 0 y IBE = 0. Y por ello, tampoco circulará corriente de colector ( I (^) C = 0) y en consecuencia la tensión de salida ( VCE ) resulta igual a la tensión de alimentación, ya que en la resistencia RC no se produce caída de tensión. Esto se puede expresar así:
En funcionamiento normal esto es así; pero, por averías (unión interna del colector cortada, por ejemplo) puede ser que no exista corriente de colector y que sí exista corriente de base. Esta avería se deduce fácilmente mediante el polímetro; basta medir la tensión entre base y emisor ( V (^) BE ). Si V (^) BE es de unos 0,7 V y no hay corriente de colector, está claro que hay alguna avería; puede ser que el transistor esté ave- riado, o también un fallo en la tensión de alimentación o en la R (^) L.
14.10.2 Estado de saturación
Se dice que el transistor está en estado de saturación, cuando la intensidad de co- lector es máxima; no aumenta más aunque se aumente la intensidad de base. El estado de saturación se da en el circuito de la figura 14.20 cuando el interruptor de mando está abierto; entonces, a través de la resistencia RB puede circular una corriente de base tal que la corriente de colector sea la máxima (según la resistencia RC y VCC ). En dicho estado, la tensión entre colector y emisor es muy baja (próxima a 0 V). Esto, se puede expresar de la manera:
En este estado, como se deduce, aunque se aumente la corriente de base, la in- tensidad de colector no puede aumentar más (para que aumentara, se tendría que aumentar la tensión VCC o disminuir el valor de RC ). Para asegurarse de que un transistor queda saturado en la práctica, se toma una corriente de base que sea superior a la necesaria teórica (según la β del transistor):
Ejemplo
Si los datos son VCC = 5 V, RC = 1k y la ganancia del transistor β = 150, la intensidad de base necesaria (teórica) que saturaría al transistor es 33 μA:
Pero para asegurarse de la saturación, como el factor β puede variar hasta en transistores del mismo tipo y fabricados en el mismo momento (además de por la temperatura y otras cosas), se tomaría una corriente de base unas 10 veces mayor; o sea, una corriente de base de IB (sat) = 0,00033 = 330 μA. El valor de la resistencia de base ( RB ) debería ser por tanto de:
que se podría poner del valor normalizado de 12 kΩ.
Otra cosa que hay que saber es que en estado de saturación la unión colector base también queda polarizada de forma directa; ya que al ser VCE = 0 la base también resulta positi va con respecto al colector. En resumen, cuando el transistor trabaja en aplicaciones de conmutación se com- porta como un interruptor electrónico; conduce al máximo (saturación ⇒ interrup- tor cerrado) o está en corte (no conduce nada ⇒ interruptor abierto).
14.11 Circuitos prácticos con transistores
A continuación se explican algunas aplicaciones prácticas del transistor operando en modo de conmutación.
