eLab, Laboratorio Remoto de Electrónica ITESM, Depto. de Ingeniería Eléctrica

Práctica PB2 MODOS DE OPERACIÓN DEL TRANSISTOR BIPOLAR OBJETIVOS Conocer los diferentes modos de operación del transistor bipolar y las características que presenta este dispositivo al operar en cada uno de estos modos (zonas de operación). Analizar teóricamente y de forma experimental circuitos de polarización con transistores bipolares e identificar la zona de operación en cada caso. 1.1 INTRODUCCIÓN El transistor bipolar o BJT es un dispositivo de tres capas de material semiconductor. En la Figura 1 se muestra una representación física de la estructura básica de dos tipos de transistor bipolar: NPN y PNP, en dicha figura también se ilustran sus respectivos símbolos eléctricos. El transistor bipolar NPN contiene una delgada región p entre dos regiones n. Mientras que el transistor bipolar PNP contiene una delgada región n entre dos regiones p. La capa intermedia de material semiconductor se conoce como región de la base, mientras que las capas externas conforman las regiones de colector y de emisor. Estas están asociadas a las terminales de base, colector y emisor respectivamente.

C

B

C

B

E

E

Transistor Bipolar tipo NPN Transistor Bipolar tipo PNP Figura 1. Representación física de la estructura básica de dos tipos de transistores bipolares: NPN y PNP, y sus respectivos símbolos eléctricos. Modos de operación y aplicaciones Dependiendo de la polarización de las dos uniones PN que conforman los transistores bipolares, estos pueden operar normalmente en tres zonas de operación: zona de corte, zona activa y zona de saturación. Para las aplicaciones del transistor como amplificador es necesario operar el dispositivo en la zona activa. Para utilizar el transistor como un interruptor electrónico se requiere operarlo en las zonas de corte (como interruptor apagado) y saturación (como interruptor encendido). A continuación se presenta una breve descripción de cada una de estas zonas de operación.

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PB2 – Modos de operación del BJT

Operación en la zona de corte. En esta zona existe una muy pequeña cantidad de corriente circulando del emisor al colector, comportándose el transistor de manera análoga a un circuito abierto. La característica que define la zona de corte es que ambas uniones, tanto la unión colector-base como la unión base-emisor, se encuentran polarizadas inversamente. Operación en la zona de saturación. En la zona de saturación circula una gran cantidad de corriente desde el colector al emisor y se tiene solo una pequeña caída de voltaje entre estas terminales. El comportamiento del transistor es análogo al de un interruptor cerrado. Esta zona se caracteriza porque las uniones colector-base y base-emisor se encuentran polarizadas directamente. Operación en la región activa. La región activa del transistor bipolar es la zona que se utiliza para usar el dispositivo como amplificador. La característica que define a la región activa es que la unión colector-base esta polarizada inversamente, mientras que la unión base-emisor se encuentra polarizada en forma directa. Características de Voltaje contra Corriente Para describir el comportamiento de los transistores bipolares, se requiere de dos conjuntos de características, que dependen a su vez de la configuración usada. Una de ellas describe la característica de voltaje contra corriente de entrada, y la otra, la característica de voltaje contra corriente de salida. Configuración de base común. En esta configuración, la terminal de la base es común a los lados de entrada (Emisor) y salida (Colector), y usualmente se conecta a un potencial de tierra (o se encuentra más cercana a este potencial). Esta configuración se ilustra en la Figura 2. La fuente de voltaje VBB brinda polarización directa a la unión B-E y controla la corriente del emisor IE. RE

E

C

RC

-

+ VBB -

IE

B

IB

+

VBC

IC

VCC +

Figura 2. Configuración de circuito de base común para un transistor PNP En esta configuración, la característica de corriente-voltaje de entrada, relaciona la corriente de entrada IE con un voltaje de entrada VEB (o VBE para un transistor NPN). Esta característica se puede observar en la Figura 3(a). A su vez, la característica de corriente-voltaje de salida relaciona la corriente de salida IC con un voltaje de salida VBC (o VCB para un transistor NPN) para varios niveles de corriente de entrada IE. Esta característica se presenta en la Figura 3(b).

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PB2 – Modos de operación del BJT

IC (mA)

IE (mA) 9 8 7 6 5 4 3 2 1

s a t u r a c d ói e n

R e g i ó n

7

7 mA

6

6 mA

5

5 mA Región Activa

4

4 mA

3

3 mA

2

2 mA

1

IE=1 mA IE=0 mA

0.2 0.4 0.6 0.8

5

VBE (V)

VBE (V) npn, o VEB (V) pnp

10 Región de corte

15

20 VCB (V)

VCB (V) npn, o VBC (V) pnp

a) Característica VI de entrada

b) Característica VI de salida

Figura 3. Características corriente-voltaje del transistor en configuración base común. Configuración en emisor común. La configuración de transistores que se encuentra con mayor frecuencia se denomina configuración de emisor común, se denomina así dado que el emisor es común tanto al lado de entrada (Base) como al de salida (Colector). En la Figura 4 se ilustra un circuito de emisor común con un transistor NPN. En este circuito, la fuente VBB polariza directamente la unión B-E y controla la corriente de base. El voltaje C-E puede variar cambiando VCC. IC C

RB + VBB -

B

+V BE

IB

-

+ VCE -

E

IE

RC + VCC -

Figura 4. Configuración en emisor común con un transistor NPN. En esta configuración también se necesitan de dos características del transistor para describir su comportamiento (ver Figuras 5 (a) y 5 (b)). La primera corresponde a la relación de entrada, la cual es una gráfica de la corriente de entrada IB contra el voltaje de entrada VBE (o voltaje VEB para un transistor PNP). La segunda, es la relación entre la corriente de salida IC contra el voltaje de salida VCE (o voltaje VEC para un transistor PNP) para diversos valores constantes de la corriente de base IB.

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PB2 – Modos de operación del BJT IC (mA)

90 A

9

IB ( A)

80 AA 80 m

8

90 80 70 60 50 40 30 20 10

70 A 7 s a t u r a c d ói e n

R e g i ó n

60 A 6 50 A 5

Región Activa

40 A

4 30 A 3 20 A 2 10 A 1 IB =0 A

0.2 0.4 0.6 0.8

VBE (V)

VCE (sat)

VBE (V) npn, o VEB (V) pnp

VEC (sat)

a) Característica VI de entrada

5

10

15 Región de corte

20 VCE (V)

VCE (V) npn, o VEC (V) pnp

b) Característica VI de salida

Figura 5. Características corriente-voltaje de un transistor en configuración emisor común. Al observar las características de entrada, tanto de la configuración de emisor común como de la de base común, se observa un comportamiento similar al del diodo, por lo que se puede hacer la siguiente aproximación. Cuando el transistor se encuentre encendido o en conducción el voltaje de base a emisor (o de emisor a base) es aproximadamente 0.7 volts.

VBE

0.7 V para un transistor NPN, y VEB

0.7 V para un transistor PNP

Configuración en colector común. Este tipo de configuración se utiliza fundamentalmente para propósitos de acoplamiento de impedancias ya que tiene una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, siendo esto lo opuesto a las configuraciones de base común y emisor común. Las características de salida de la configuración de colector común son las mismas que las de emisor común. Bibliografía Libro de Texto: Microelectronics; Circuit Analysis and Design (Chapter 1) Donal A. Neamen, McGraw Hill, 3rd Edition, 2007 Libros de Consulta: Electronic Devices (Chapter 1) Thomas L. Floyd, Prentice Hall, 6th Edition, 2002 Electronic Circuits; Analysis, Simulation, and Design (Chapter 3) Norbert R. Malik, Prentice Hall, 1995 Electronic Devices and Circuits (Chapter 1 and 2) Robert T. Paynter, Prentice Hall, 7th Edition, 2006

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PB2 – Modos de operación del BJT

1.2 ACTIVIDAD PREVIA Instrucciones Siga detalladamente las instrucciones para cada uno de los puntos que se presentan en la presente actividad. Conteste y/o resuelva lo que se le pide en los espacios correspondientes para cada pregunta. Hágalo de manera ordenada y clara. En el reporte agregue en el espacio asignado gráficas comparativas, análisis de circuitos, simulaciones en computadora, ecuaciones, referencias bibliográficas, ejemplos, aplicaciones, según sea el caso. No olvide colocar una portada con sus datos de identificación así como los datos relacionados con la práctica en cuestión, como número de práctica, titulo, fecha, etc. Desarrollo de la actividad previa I) Lea detenidamente el capitulo 5 de su libro de texto (El Transistor de Unión Bipolar) y conteste lo siguiente: Para un transistor bipolar NPN y PNP, indique como deben polarizarse las uniones base-emisor y base-colector para que éste opere en el modo activo. _____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ ¿Que condiciones se requieren para que un transistor opere en la región de corte y saturación? ¿Que caracteriza a cada una de estas regiones? _____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ Explique el concepto de corrientes de fuga en un transistor bipolar. _____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ Explique el concepto de línea de carga de CD y su relación con los modos de operación de un transistor bipolar en un circuito de polarización. _____________________________________________________________________________ ____________________________________________________________ De acuerdo a la característica de salida de la Figura 5b determine el valor aproximado de la ganancia de corriente (hFE) del transistor. _____________________________________________________________________________ II) Análisis de un circuito en configuración emisor común. Analice el circuito en configuración emisor común que se ilustra en la Figura 4 para las siguientes tres condiciones: Región activa. Suponga que el transistor opera en la región activa, en este punto el voltaje VBB>VBE(on), donde VBE(on), representa el voltaje base-emisor de encendido. a) Analice la malla Emisor-Base, y utilizando la ecuación de la Ley de voltajes de Kirchhoff determine una expresión matemática para la corriente IB. b) Determine una expresión matemática para la corriente IC en función de la corriente IB obtenida en el inciso (a). c) Analice la malla Colector-Emisor, y utilizando

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PB2 – Modos de operación del BJT

la ecuación de la Ley de voltajes de Kirchhoff determine una expresión matemática para el voltaje VCE. Realice las operaciones analíticas en el espacio asignado enseguida. Análisis

Resumen de Ecuaciones

(Realice sus análisis en esta columna para cada uno de los incisos)

(Escriba las ecuaciones obtenidas)

a) Calculo de la corriente IB IB=

b) Cálculo de la corriente IC IC=

c) Cálculo del voltaje VCE VCE=

Región de saturación. Suponga que el transistor opera en la región de saturación, en este punto el voltaje VBB>VBE(on), donde VBE(on), representa el voltaje base-emisor de encendido. a) Analice la malla Emisor-Base, y utilizando la ecuación de la Ley de voltajes de Kirchhoff determine una expresión matemática para la corriente IB. b) Analice la malla Colector-Emisor, y utilizando la ecuación de la Ley de voltajes de Kirchhoff determine una expresión matemática para la corriente IC(sat) en función del voltaje VCE(sat) proporcionado por el fabricante. Realice las operaciones analíticas en el espacio asignado enseguida. Análisis

Resumen de Ecuaciones

(Realice sus análisis en esta columna para cada uno de los incisos)

(Escriba las ecuaciones obtenidas)

a) Calculo de la corriente IB de saturación

b) Cálculo de la corriente de saturación ICsat Voltaje de Colector-Emisor de saturación proporcionado por el fabricante VCEsat =

IB=

ICsat =

Región de corte. Suponga que el transistor opera en la región de corte, en este punto el voltaje 0