Transistor bipolar o bjt, conocimientos básicos.


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Transistor bipolar o bjt, conocimientos básicos

transistor bipolarEl transistor bipolar o bjt es un dispositivo electrónico, mediante el cual se puede controlar una cierta cantidad de corriente por medio de otra cantidad de corriente, este  dispositivo consta de 3 patitas, terminales o pines, cada uno de estos pines tienen un nombre especial, es importante no olvidase de esos nombres, los cuales son el colector, la base y el emisor, tal como se ve en la imagen, el orden de los pines depende del transistor que se esté utilizando, para ello será necesario recurrir a su hoja de datos, en la imagen se puede ver el orden de los pines correspondientes para el transistor bipolar BC547B.

El transistor bipolar está formado por capas de material semiconductor tipo n y tipo p, de acuerdo a la distribución de los materiales semiconductores se tienen 2 tipos de transistor bipolares, los que se conocen como transistor npn y transistor pnp, el funcionamiento del transistor se basa en movimientos de electrones (negativos) y de huecos (positivos), de allí el nombre de transistor bipolar o bjt (transistor de unión bipolar).

Para un mejor entendimiento, se puede imaginar interiormente el transistor bipolar como se muestra en la figura, se ve que entre la base y el emisor hay un diodo, lo mismo entre la base y el colector hay otro diodo, el transistor bipolar tiene 3 zonas diferentes en los cuales puede operar, transistor bipolar interiorlos cuales se conoces como región activa, región de corte y región de saturación.

Para que opere en la región de saturación, el diodo base emisor tiene que estar polarizado en forma directa y el diodo base colector también tendrá que estar polarizado en forma directa.

Para que opere en la región de corte, el diodo base emisor tiene que estar polarizado en forma inversa y el  diodo base colector también tendrá que estar polarizado también forma inversa

Para que opere en la región de activa, el diodo base emisor tiene que estar polarizado en forma directa y el diodo base colector tendrá que estar polarizado en forma inversa; cuando el transistor bipolar se prepara para que opere en la región activa, se cumple que la corriente que ingrese por la base IB va a controlar la cantidad de corriente que circulará por el colector IC, este control es en forma lineal, se cumple una relación matemática a la cual se le llama ganancia del transistor y se le simboliza con β, esto es β=IC/IB, este valor en la hoja de datos se le encuentra como hFE.

En un transistor bipolar siempre se va cumplir, que si se encuentra operando en la región de saturación o en la región activa, la tensión que existirá entre la base y el emisor VBE=0,7V ya que el diodo existente entre la base y el emisor está polarizado en forma directa.

Los símbolos utilizados para representar el transistor bipolar o bjt tanto para el npn y el pnptransistor bipolar símbolos son los que se muestran, la flecha indica que el diodo base emisor se tiene que polarizar en forma directa para hacer operar el transistor en la región activa.

Para hacer trabajar el transistor bipolar se dice que hay que polarizarlo, esto es lo mismo que decir que hay que polarizar el diodo base emisor y el diodo base colector, de acuerdo a la región en la cual se quiere que opere.

Por ejemplo para polarizarlo en la región activa, se tiene que  hacer que la tensión de la base VB sea mayor a la tensión del colector VC en al menos 0,7V, ya que el diodo se activa a partir de esta tensión cuando se polariza en forma directa, esta tensión quedará en forma constante entre la base y el emisor mientras el transistor esté polarizado en la región activa,  esto es VBE=0,7V para el caso del transistor npn, ademas debe cumplirse que la VC tiene que ser mayor que la tensión de la base VB, para que el diodo base colector se polarice en forma inversa; mientras que para el pnp la tensión de la base VB tiene que ser menor en al menos 0,7V a la tensión del emisor VE, para que el diodo emisor base esté polarizado correctamente es decir en forma directa, esto hace que VBE=-0,7V; ademas debe cumplirse que la VC tiene que ser menor que la tensión de la base VB, para que el diodo colector base se polarice en forma inversa,

En lo que sigue se comentará para el caso de el transistor bipolar npn, pero se cumplirá lo mismo para el pnp, con la diferencia que las tensiones y las corrientes tendrán valores inversos con respecto al npn, en la imagen que siguetransistor bipolar símbolos tensiones y corrientes se aprecia los sentidos de las tensiones y las corrientes en los transistores cuando estos se polarizan para que operen en la región activa.

Aplicando ley de corrientes de Kirchoff, se tiene que:

IE=IC+IB,

la corriente de la base IB es pequeña comparada con la corriente del colector IC, por eso muchas veces se la puede ignorar, con lo cual la corriente del emisor IE se puede asumir como:

IE=IC

esto se hace con el fin de no complicar los cálculos, los resultados obtenidos al hacer esto son muy próximos a los valores reales; la tensión entre la base emisor VBE en el transistor bipolar npn es un valor positivo VB mayor en 0,7V a la VE, la tensión colector emisor VCE es un valor positivo que depende del  circuito en el cual se encuentre el transistor; para el transistor bipolar pnp, la VBE es un valor negativo, ya que la VE es mayor en 0,7V a la VB,  la tensión colector emisor VCE también es un negativo que depende del  circuito en el cual se encuentre el transistor; las medidas mas importantes que hay que tener una en el  circuito  de polarización son IC y la VCE.

De la relación de ganancia β=IC/IB se puede despejar IC=β*IB que es la forma en que se utilizará mayormente, esto es muy importante tenerlo siempre presente ya que indica cuantas veces es mayor la corriente que circula por  el colector IC con respecto a la corriente que esté entrando por la base IB.

En la siguiente imagen se muestra un circuito en el cual se utiliza el transistor bipolar, para el ejemplo se asume que el transistor está polarizado en la región activa, este tipo de polarización se le llama de emisor común porque el emisor está directamente conectado a tierra, la idea hasta aquí es ver como se pueden utilizartransistor bipolar circuito1 las relaciones matemáticas vistas hasta el momento, la forma en que se procede será muy similar en adelante, la resistencia RB es para limitar la corriente que circula por la base IB hasta un valor adecuado para obtener IC, la corriente IC depende de la corriente IB, RC  es la carga en la que se utilizará IC.

De la malla 1:

VBB=RB*IB+VBE, de aquí

IB=(VBB-0,7)/RB    luego

IC=β*IB

De la malla 2:

VCC=VCE+RC*IC   de aquí

VCE=VCC-RC*IC

Las corrientes y las tensiones sobre el transistor bipolar tienen valores máximos que no hay que sobrepasar, ya que de lo contrario se dañarán; estos valores máximos se encuentran en la hoja de datos del transistor que se este utilizando.

En el vídeo que sigue se trata sobre lo comentado hasta aquí, ademas de ver como se pueden utilizar lo visto en circuito hecho con el transistor bipolar.

Conocer el valor de la ganancia β es muy importante para poder realizar circuitos con el transistor bipolar, este valor se puede encontrar en las hojas de datos como hFE, otra forma de conocer el β para un transistor en particular es utilizando un tester, el cual trae unas cavidades donde se puede colocar el transistor, el valor de la ganancia β se ve afectado por la temperatura y por la corriente del colector IC, estos fenómenos se verán en temas posteriores; en el siguiente vídeo se puede ver como proceder para medir el  β, ademas se ve un circuito real en el cual se utiliza el transistor bipolar, se hacen los cálculos matemáticos para obtener los valores de IC y VCE, luego se hace una comparación con los valores medidos directamente en el circuito.

 

Muchas veces en los circuitos se obtienen valores de corriente que no son suficientes para  hacer trabajar los dispositivos que se estén utilizando, por ejemplo cuando se tiene un led dentro de un circuito el cual debe encender dependiendo de cierta cantidad de corriente en el circuito, pero esta corriente no es suficiente para encenderlo, es en estos casos que es de gran ayuda el transistor bipolar, en el siguiente vídeo se ve como se puede proceder para preparar un circuito en el cual se aprovecha la ganancia que brinda el transistor bipolar.

Hasta el momento se ha visto el comportamiento de el transistor bipolar cuando se encuentra operando en la región activa, mas adelante se verá el uso del transistor en las otras dos zonas en las cuales puede operar, para ello será antes necesario recurrir a unos gráficos que son muy importantes para poder comprender un poco mas a este transistor, estos gráficos son llamados curvas de características de el  transistor bipolar,transistor bipolar entrada salida serán útiles para diferenciar las zonas en las cuales puede operar, además cuando se trate el tema de los tipos de polarización de el transistor bipolar se usarán en forma continua, así como cuando se lo utilice en circuitos de amplificación, por lo tanto hay que tener un conocimiento adecuado de estas curvas de características; para obtener estas curvas se usará la imagen de la izquierda.

Se supondrá  que el transistor bipolar está polarizado en la región activa, el circuito correspondiente a la malla 1 se conoce como entrada del circuito, como se puede ver corresponde al circuito de polarización directa de un diodo, por lo tanto la curva característica de entrada será la curva de polarización del diodo base emisor, la corriente IB es la corriente que circula por este diodo y la tensión sobre el diodo es VBE, ya se sabe que para que este diodo se encienda la tensión sobre el tiene que ser 0,7V, por lo cual para encender el transistor bipolar la tensión base emisor tiene que ser como mínimo VBE=0,7V (esto es en teoría, en realidad puede llegar a encender a menos de 0,7V), a tensiones menores a este valor el transistor estará apagado.

Para el caso de la salida del circuito se tiene que IC=β*IB, ademas VCE=VCC-RC*IC, esta ecuación se conoce como ecuación de recta de carga de salida, se asumirá que VCC y RC se mantienen constantes, luego de ambas ecuaciones se puede ver que la VCE dependerá de la IC y esta a su vez dependerá de IB, a una IB le corresponderá una IC, esto indica que si IB se mantiene constante, entonces IC se mantendrá constante por lo que VCE también se mantendrá constante; al variar IB variará IC y a su vez variará VCE.

De la ecuación de recta de carga cuando IC=0, es decir cuando el transistor bipolar está apagado o cortado ya que no hay corriente a través del transistor bipolar, ocurre que VCE=VCC, a esta tensión se la llama tensión colector emisor de corte VCEcorte=VCC, de aquí se obtiene un punto de la  recta de carga cuyas coordenadas son (VCEcorte,0); si en la ecuación de recta de carga se hace VCE=0 esto es como si entre el colector y el emisor hubiese un cortocircuito, se obtendrá IC=VCC/RC, esta es la máxima corriente que circulará por el transistor y se la conoce como corriente de saturación ICsat=VCC/RC, con lo cual se obtiene otro punto de la recta de carga cuyas coordenadas son (0,ICsat), en realidad para la ICsat siempre hay una pequeña VCE (VCEsat) cuyo valor en los cálculos aproximados se suele despreciar.

En la siguiente imagen se puede ver la gráficas de entrada y salida para el circuito de polarización del transistor bipolar.

transistor bipolar curva característica

Cuando VBE es menor que 0,7V el diodo base emisor está apagado, por lo que IB=0 en este caso se dice que transistor está polarizado en la región de corte, en la región activa es donde se cumple IC=β*IB, IC aumentará mientras IB aumente, de la ecuación de la recta de carga se puede ver que llegará un momento en que si se aumenta IB se provoca que la tensión sobre la resistencia del colector VRC=IC*RC se iguale a VCC provocando que VCE=0, en ese momento se ha llegado a la región de saturación, la IC ya no aumentará por mas que se aumente IB, se dice que el transistor bipolar se ha saturado y a la corriente IC que ya no puede aumentar mas se la llama corriente de colector de saturación ICsat.

El vídeo donde se comenta sobre estos temas es el siguiente:

Siguiente: Corte y Saturación

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