Polarización del transistor JFET


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Anterior: Gráfica de transferencia del JFET.

 

La polarización del JFET se realiza mediante tensión continua y consiste en prepararlo para que en  un circuito, en el cual se le quiere utilizar,  a través del JFET circule  una cantidad de corriente ID por el drenaje, y a su vez se obtenga una tensión entre el drenaje y la fuente VDS para esa cantidad de corriente ID, a esto  se le llama obtener el punto de operación o punto Q. La corriente ID va depender de la tensión compuerta fuente VGS que exista en la malla de entrada, la VDS dependerá de la malla de salida del circuito, para ver esto será de utilidad la gráfica de entrada y la de salida del JFET.

Anteriormente se ha visto que el JFET tiene una corriente drenaje fuente de saturación IDSS, la cual indica cual es la corriente máxima que podrá circular entre el drenaje y la fuente, entonces la corriente ID al cual se polarizará el transistor solo podrá tener valores comprendidos entre 0mA y IDSS.

Como la corriente de la compuerta IG=0, hay que tener siempre presente que la corriente de drenaje ID y la corriente de fuente IS son iguales esto es ID=IS, tanto para transistores de canal n como para los de canal p, tampoco hay que olvidarse de la ecuación de Shockley, con esto en mente ya se puede ver algunos tipos de polarización.

Se verán 3 tipos de polarización los cuales son:

Para ver los diferentes  tipos de polarización  se utilizará un JFET de canal n, se procederá a obtener una ecuación en la malla de entrada y otra en la malla de salida.  Para polarizar un JFET de canal p se procederá de manera similar, teniendo en cuanta que las tensiones de polarización tendrán que invertirse, lo cual dará como resultado que la ID cuyo sentido se mide del drenaje hacia la fuente, también se invierta.

 

1.- Polarización del JFET de puerta.

Este tipo polarización se caracteriza porque se utilizan dos fuentes de alimentación, una de ellas se conecta directamente entre la compuerta y la fuente, si esta fuente de alimentación es variable se puede controlar la ID, lo cual a su vez provocará que el punto de operación del JFET cambie y como consecuencia cambiará VDS, de esta forma se puede hacer que el JFET trabaje en la región ohmica o en la región activa; este es el tipo de polarización que se utilizará si se quiere hacer trabajar al JFET como resistencia variable controlada por voltaje.

El arreglo principal para este tipo de polarización para un JFET de canal n y uno de canal p, es el que se muestra a continuación:

Polarización de puerta del JFET.

 

De la malla de entrada, por Kirchoff se puede ver para el JFET de canal n que VGS=-VGG y para el de canal p VGS=VGG, estas serán sus ecuaciones de entrada, son rectas paralelas al eje ID, las cuales hay que trazar sobre la gráfica de entrada, donde estas rectas corten a la curva de transferencia será el punto de operación para la entrada del JFET, a partir de este punto de corte se traza una paralela al eje VGS y se conocerá el valor de la ID para el punto de operación del JFET; si en la malla de salida se aplica nuevamente Kirchoff se obtendrá una ecuación a partir de la cual se puede despejar VDS y se tendrá:

Para el JFET de canal n:  VDS=VDD-ID*RD, que es su ecuación de recta de salida.

Para el JFET de canal p:  VDS=-VDD+ID*RD, que es su ecuación de recta de salida.

Si en la ecuación recta de carga de la salida se reemplaza el valor de ID para el punto de operación, obtenida a partir de la curva de transferencia, se puede hallar la VDS para el punto de operación del transistor.

En lo que sigue se comentará para el caso del JFET de canal n, lo cual también será válido para los JFET de canal p, con la única diferencia de que hay que invertir las polaridades; de la ecuación de recta de carga de salida obtenida para el JFET de canal n, hay que ubicar 2 puntos para trazarla, uno de los puntos se obtendrá haciendo ID=0, si se despeja se obtiene VDS=VDD, lo cual se conoce como tensión de drenaje fuente de corte VDScorte; el otro punto se obtendrá haciendo en la ecuación VDS=0, en este caso si se despeja se obtiene ID=VDD/RD lo cual se conoce como corriente de drenaje de saturación IDsat; por lo tanto los dos puntos que necesitamos ubicar sobre el gráfico de salida para trazar la recta de carga serán VDScorte=VDD para ID=0 y IDsat=VDD/RD para VDS=0.

Los trazos de la recta de carga para la entrada y de la recta de carga para la salida en forma general para este tipo de polarización están representados en la siguiente figura.

Polarización de puerta recta de carga

En la figura se puede ver que si la fuente de alimentación cambia en valor VGG se cambiará VGSQ, lo cual a su vez cambiará ID lo que hará que la recta de carga de salida cambie y como consecuencia cambie el punto de operación, este fenómeno es aprovechado cuando se quiere utilizar el JFET como resistencia variable, otra forma en que cambiará el punto de operación es si se cambia el JFET, ya que la curva de transferencia cambiará, por lo cual  el  punto de cruce de la recta de carga de entrada con la curva  de transferencia cambiará lo que dará un nuevo valor para IDQ, entonces la recta de carga de salida se cruzará con una curva de salida diferente dando como resultado que el punto de operación cambie; mayormente el cambio de posición del punto de operación es demasiado grande cuando se cambia el JFET, de allí que si se quiere un punto de operación que no varíe si se cambia el JFET este tipo de polarización no sea lo mejor.

Para este tipo de polarización se prepararon 5 vídeos donde se hacen circuitos de prueba con el JFET de canal n 2N3819, en los primeros 3 podrás ver como utilizar la recta de carga y en el cuarto vídeo verás como se puede polarizar un circuito en la  zona activa y en el último como polarizarlo en la región ohmica.

 

Transistor JFET 11 Polarización de puerta parte 1

En este caso se comenta sobre uso de la curva de transferencia cuyos gráficos se obtienen de manera indicada en el siguiente enlace.  Se comenta y se muestra como obtener la recta de carga, las pruebas se realizan con el 2N3819.

 

Transistor JFET 12 Polarización de puerta parte 2

Se realiza un circuito de prueba con el 2N5860, y se ve como interpretar los resultados con la ayuda de los gráficos y la recta de carga.

 

Transistor JFET 13 Polarización de puerta parte 3

Es una continuación del vídeo anterior para tratar de aclarar un poco mas este tema.

 

Transistor JFET 14 Polarización de puerta en al región activa

En este caso se prepara un circuito el cual se polariza en la región activa, se hacen los cálculos con ayuda de los gráficos y la recta de carga ; se hacen las pruebas y medidas en un circuito real hecho con el 2N3819.

 

Transistor JFET 15 Polarización de puerta en la región Ohmica.

En este caso se polariza el JFET 2N3819 para que trabaje en la región Ohmica.

 

Transistor JFET 16 Algo importante que tienes que conocer.

Aquí se comenta sobre el efecto de cambiar un JFET por otro de la misma familia en este caso el 2N3819.

2.- Polarización del JFET por autopolarización.

En este tipo de polarización solamente se necesita una fuente de alimentación, en la figura siguiente se muestra este tipo de arreglo para un JFET de canal n, es muy similar para el caso del JFET de canal p, con la diferencia de que hay que invertir las polaridades.

Polarización por autopolarización del JFET de canal_nComo se puede ver en la fuente del JFET se coloca una resistencia RS, esta resistencia será la que polarice la compuerta, es decir la VGS que existirá en el transistor la cual decidirá cuanta será la corriente de drenaje ID que es igual a la corriente de la fuente IS; la resistencia RG es una resistencia del orden de los mega ohmios que se utiliza principalmente para los circuitos de amplificación para no perder la impedancia de entrada del JFET, en el vídeo que sigue mas abajo se comenta  como es que actuará, ademas como IG=0 entonces VG=0 por tanto la compuerta está conectada a tierra.

Los datos IDSS y VGScorte se obtienen de la hoja de datos del JFET, con los cuales se trazará la curva de transferencia.

La idea para resolver o diseñar este tipo de circuitos es a partir de la malla de entrada obtener una ecuación de una recta que dependerá de VGS e ID, luego trazar esta recta sobre la gráfica de transferencia que  también depende de VGS e ID, el punto donde se intercepten ambos trazos será el punto de operación del JFET.

Por lo tanto, lo primero que hay que hacer es trazar la curva de transferencia, luego dibujar la recta de carga de la entrada sobre la curva de transferencia, para lo cual necesitamos obtener la ecuación de la recta de entrada, entonces aplicando KIrchoff en esta malla:

VGS+VRS+VRG=0 ,luego

VGS+IS*RS+IG*RG=0 , pero IG=0 y IS=ID

VGS+ID*RS=0, de donde

VGS=-ID*RS, esta es la ecuación de la recta de entrada.

Se ve que la VGS es un valor negativo, que es como tiene que ser para un JFET de canal n, para trazar la recta de entrada sobre la curva de transferencia se necesita 2 puntos por lo menos , uno de ellos puede ser por ejemplo para ID=0, lo que dará VGS=0, siendo el primer punto entonces (0,0); como IDSS es dato ese valor se puede reemplazar en la ecuación para obtener el otro punto, que es VGS=-IDSS*RS, con lo cual el otro punto sería (-IDSS*RS,IDSS), al trazar esta recta sobre la curva de transferencia donde se intercepten ese será el punto de operación de JFET, a partir del cual se puede conocer VGSQ y la IDQ.

Para encontrar el valor VDSQ será recurre a la malla de salida a la cual se aplica Kirchoff

VDD-VRD-VDS-VRS=0, luego

VDD-ID*RD-VDS-IS*RS=0, pero IS=ID

VDD-VDS-ID*(RS+RD), de donde al despejar

VDS=VDD-ID*(RS+RD), que será la ecuación de la recta de salida.

Si en  esta ecuación se reemplaza IDQ obtenida anteriormente se encontrará el valor de VDSQ, por lo tanto el punto de operación del JFET será (VDSQ,IDQ), si se quiere trazar la recta de carga de salida, son necesarios dos puntos uno de ellos será cuando ID=0, de donde VDScorte=VDD, el otro punto será para VDS=0, de donde IDsat=VDD/(RS+RD), en el punto donde se intercepte la recta de carga de salida con la curva que le corresponda a la corriente IDQ para VGSQ en la salida, ese será el punto de operación el JFET; los gráficos deben ser algo así:

Recta de carga para la autopolarización de un JFET de canal n

 

En el siguiente vídeo podrás ver la forma en que se procede, para lo que hasta aquí se ha comentado en cuanto a la autopolarización del JFET.

 

En el siguiente vídeo se ve la forma en que se obtiene un circuito de autopolarización para un JFET, en este caso se utilizo el JFET 2N3819 para las pruebas.

 

El vídeo que sigue es el último publicado para la autopolarización del JFET, en el verás como obtener la curva de transferencia a partir de la hoja de datos del JFET, en este caso el 2N3819, luego se obtiene las recta de carga y el punto de operación del circuito.

Hasta aquí el tema relacionado con la polarización del JFET por autopolarización, recuerda que los vídeos son una secuencia, verás que antes de este último se ha estado usando una hoja con gráfica de transferencia del JFET 2N3819 que se obtuvo experimentalmente, eso lo puedes ver aquí. En adelante se procederá a obtener la gráfica de transferencia de la misma hoja de datos, no será muy exacta pero nos aproximará bastante a las medidas, ya que para la autopolarización por ejemplo, el punto de operación no cambia mucho cuando se cambia un transistor por otro y para el caso de la polarización por división de tensión que es tema que sigue, el punto de operación cambia mucho menos cuando se cambia un transistor por otro.

 

3.- Polarización del JFET por divisor de tensión.

Para este tipo de polarización, el punto de operación del JFET se ve menos afectado cuando se cambia un transistor por otro, siendo ambos de la misma familia, por ejemplo el 2N3819. en este caso también se polariza el JFET con una sola  fuente de alimentación, en la siguiente figura se muestra el arreglo para la polarización por divisor de tensión.

Polarización por divisor de tensión del JFET de canal n

Como se puede ver en la en la malla de la entrada del circuito, ahora hay dos resistencia, las cuales serán de gran ohmiaje del orden de los mega ohmios, esto es para no perder la alta impedancia de entrada de los JFET en los circuitos de amplificación, entre las dos forman un divisor de tensión, por lo cual la tensión de la compuerta VG tendrá un valor positivo.

Los datos IDSS y VGScorte se obtienen de la hoja de datos del JFET, con los cuales se trazará la curva de transferencia.

La idea para resolver o diseñar este tipo de circuitos es a partir de la malla de entrada obtener una ecuación de una recta que dependerá de VGS e ID, luego trazar esta recta sobre la gráfica de transferencia que  también depende de VGS e ID, el punto donde se intercepten ambos trazos será el punto de operación del JFET.

Por lo tanto, lo primero que hay que hacer es trazar la curva de transferencia, luego dibujar la recta de carga de la entrada sobre la curva de transferencia, para lo cual necesitamos obtener la ecuación de la recta de entrada, la que obtendrá  a partir de:

VGS=VG-VS, además

VS=RS*IS, pero IS=ID, entonces

VGS=VG-RS*ID, esta es la ecuación de la recta de entrada.

donde por división de tensión VG=VDD*R2/(R1+R2);

VGS será un valor negativo, ya que es un JFET de canal n, para trazar la recta de entrada sobre la curva de transferencia se necesita 2 puntos por lo menos , uno de ellos puede ser por ejemplo para ID=0, lo que dará VGS=VG, siendo el primer punto entonces (VG,0); para el otro punto se tomará VGS=0 de donde ID=VG/RS por lo cual el otro punto sería (0,VG/RS), al trazar esta recta sobre la curva de transferencia donde se intercepten ese será el punto de operación de JFET, a partir del cual se puede conocer VGSQ y la IDQ.

Para encontrar el valor VDSQ será recurre a la malla de salida a la cual se aplica Kirchoff

VDD-VRD-VDS-VRS=0, luego

VDD-ID*RD-VDS-IS*RS=0, pero IS=ID

VDD-VDS-ID*(RS+RD), de donde al despejar

VDS=VDD-ID*(RS+RD), que será la ecuación de la recta de salida.

Si en  esta ecuación se reemplaza IDQ obtenida anteriormente se encontrará el valor de VDSQ, por lo tanto el punto de operación del JFET será (VDSQ,IDQ), si se quiere trazar la recta de carga de salida, son necesarios dos puntos uno de ellos será cuando ID=0, de donde VDScorte=VDD, el otro punto será para VDS=0, de donde IDsat=VDD/(RS+RD), en el punto donde se intercepte la recta de carga de salida con la curva que le corresponda a la corriente IDQ para VGSQ en la salida, ese será el punto de operación el JFET; los gráficos deben ser algo así:

Recta de carga para la polarización por divisorde tensión de un JFET de canal n

 

En el siguiente vídeo podrás ver la forma en que se procede, para lo que hasta aquí se ha comentado en cuanto a la polarización por divisor de tensión del del JFET.

 

En el siguiente vídeo se resuelve un ejercicio para un circuito de polarización del JFET por divisor de tensión, luego se prueban los resultados en un circuito real; en este caso se utilizo el JFET 2N5459 para las pruebas.

 

En el vídeo siguiente se ve como se puede diseñar un circuito para polarizar por divisor de tensión un JFET en la región aciva, el circuito diseñado se prueba luego en un circuito real.

 

Por último en el vídeo que sigue se hace una comparación entre los 3 tipos de polarización para el JFET que se han visto, se compara que pasa al cambiar un JFET por otro de la misma familia, observando como se ve afectado el punto de operación y viendo cual de los tipos de polarización se ve menos afectado o es el mas estable ante el cambio del transistor dentro de un circuito.

 

 Anterior: Gráfica de transferencia del JFET.

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