4.- El Transistor Bipolar

Contenido4.1.- Principio y Regiones de Funcionamiento, factores y . 4.2.- Curvas caractersticas. 4.3.- Determinacin del factor . 4.4.- Modelo de gran seal (emisor comn, base comn). 4.5.- El transistor en conmutacin. 4.6.- El fototransistor: empleo como detector, aislador.

Introduccin Transistor NPN: Estructura simplificada

Transistor PNP: Estructura simplificada

4.1.- Principio de Funcionamiento

La capa del Emisor se encuentra fuertemente dopada. La base ligeramente dopada El colector muy poco dopada Espesor Total/Espesor capa central = 150/1 Dopado de la capa central es mucho menor que las capas exteriores (10:1), disminuyendo la conductividad (disminuye la cantidad de portadores libres).

Operacin como amplificador de seales: La juntura EB polarizada en directa. (corriente de portadores mayoritarios) La juntura BC polarizada en inversa. (corriente de portadores minoritarios). Debido a que el material tipo n del centro es delgado y tiene baja conductividad, pocos portadores provenientes del Emisor se dirigiran hacia el terminal de la base. Resultando una corriente de base del orden de los microamperios (comparado con las corrientes de emisor y colector que estan en el orden de los miliamperios). La mayor cantidad de portadores mayoritarios provenientes del emisor se difundiran a traves de la Union BC que esta polarizada en inversa hacia el teriminal del Colector . Por Kirchoff, considerando el transistor como un nodo: IE = I C + IB IC esta conformada por dos componentes: los portadores mayoritarios y los minoritarios. IC = IC mayoritarios + ICO minoritarios

Configuracin en Base Comn Notacion mas empleada: en configuracion base comun (la base es comun tanto para el circuito de entrada como para el ciruito de salida).

Para describir el comportamiento del transistor se deben emplear 02 conjuntos de caracteristicas: Para el punto de excitacin y para la salida. Para la entrada en configuracion BC, se relaciona la corriente de entrada IE y el voltaje de entrada VBE, para diferentes valores de voltaje de salida VCB. Para la salida, se relaciona la corriente de salida IC con el voltaje de salida VCB.

En la curva de salida, se muestra 03 zonas basicas de interes: activa, saturacion y corte. REGION ACTIVA: La region activa se utiliza para amplificadores lineales (sin distorsion). En la region activa, la union base-emisor se encuentra polarizada en directa, mientras que la union colector base en inversa. En la region activa se puede observar que:

IC IE

REGION DE CORTE: La region de corte se define como la region donde la IC = 0. En la region de corte la union BE y CB estan polarizadas en inversa. REGION DE SATURACION: La region de saturacion se define como la region a la izquierda de VCB=0 V, la IC aumenta en forma exponencial conforme VCB se acerca a 0 V. En la region de saturacion, las uniones BE y CB se encuentran polarizadas en directa.

De la curva caracteristica IE vs VBE, se puede observar que la variacion de VCB no tiene un efecto importante en la curva caracteristica, por lo tanto se puede ignorar los cambios ocasionados por VCB. Como la curva IE vs VBE se asemeja a la de un diodo, es posible aproximar dicha curva y emplear el modelo de caida de voltaje constante, donde VBE = 0.7 V.

Factor En DC los niveles de IC y IE debido a los portadores mayoritarios se encuentran relacionados por una cantidad llamada . DC= IC / IE El valor de esta entre 0.9 a 0.998. Por lo tanto : IC = IE + ICBO

Configuracin Emisor Comn Las relaciones de corriente encontradas en la configuracin base comn se aplican en la configuracin emisor comn: IE = IC + IB, IC = IE

Emisor Comn: Curvas Caractersticas de Entrada y Salida Caracterstica de salida: IC vs VCE para un rango de valores de IB (corriente de entrada). Caracterstica de entrada: IB vs VBE para un rango de valores de VCE (voltaje de salida).

Emisor Comn: Zonas de Operacin Regin activa: la unin base-emisor esta polarizada en directa, la unin colector-base polarizada en inversa (similar a la configuracin base comn). Se puede emplear para amplificar corriente, voltaje o potencia. Regin de corte: No se encuentra bien definida en comparacin a la configuracin base comn:

I C I E I CBO como : I E I C I B remplazando : I C ( I C I B ) I CBO Ordenando : I C 1

IB

I CBO 1 I CBO 1

En el corte : I B 0 por lo tanto : I C Se define: I CE0 I CBO 1 I B 0

4.3.- Determinacin del Factor En el modo DC, IC y IE se relacionan mediante el parmetro DC: IC DC En la practica DC esta entre 50 y 400. IB En las hojas tcnicas DC: se encuentra como hFE. I C ac En modo AC, se define como: I B V cte CE DC es aproximadamente igual a ac

Relacin entre y Como : I E I C I B , I C I E , I C I B 1 1 Entonces : IC 1 finalmente: y 1 1 IC IC

4.5.- El transistor en Conmutacin

El transistor debe operar en la regin de corte y de saturacin. La saturacin ocurre cuando se intenta forzar una corriente en el colector mayor a la que puede soportar mientras se mantiene en modo activo. Para el circuito mostrado, la mxima corriente que el colector puede tomar sin que se salga de la regin activa ocurre cuando VCB = 0. La Ic max se obtiene al forzar la IB dada por: IB = Ic max / = IB max. Si se aumenta la corriente de base por encima de IB max , la corriente en el colector aumentara y el voltaje en el colector disminuir. Se puede llegar a un punto donde el VC es menor que VB y la unin C-B se polarice en directa con un voltaje de polarizacin entre 0.4 y 0.6 voltios, este modo de operacin es SATURACION. En saturacin la relacin entre IC y IB ya no es igual a . En saturacin, el VCE 0.2V.

I C m ax

VCC VB RC

Para el ckto de la figura ICsat es igual a: Para asegurar que el transistor entre en la regin de saturacin se debe forzar la IB de por lo menos, IB(EOS): Normalmente se disea el ckto. de tal forma que IB sea mayor (de 2 a 10 veces) que IB(EOS).EOS: Edge of saturation (Borde de saturacin)

I C sat

VCC VCEsat RCI C sat

I B ( EOS )

I C sat IB

forzado

La razn entre ICsat y IB es forzado, por que su valor se puede fijar a voluntad. El modelo del transistor NPN saturacin se muestra en la figura: en

Ejemplos Del libro de SEDRA 4.6: ANALISIS DE CIRCUITOS TRANSISTORIZADOS CON CD.

4.4.- Modelo de gran seal Regin Activa Directa: (Configuracin emisor comn)

Cuando la juntura B-E se encuentre polarizada en directa, vBE = 0.7V

4.4.- Modelo de gran seal Regin Activa Directa: (Configuracin base comn)

Cuando la juntura B-E se encuentre polarizada en directa, vBE = 0.7V

4.5.- Transistores en conmutacin: Corte y saturacin Ejercicios Revisar documento: Regin de saturacin y corte. Revisar Hoja de ejercicios.

4.6.- El Fototransistor

4.6.- El Fototransistor Similar a un transistor bipolar, con la diferencia que no posee terminal de base, por lo que en reemplazo de la corriente de base la entrada al transistor es en forma de luz. La ICBO se incrementa cuando incide mayor intensidad luminosa en la juntura base-colector, siendo el incremento de la corriente de colector (+1)ICBO

4.6.- El Fototransistor

ICBO depende de la intensidad luminosa incidente

4.6.- El Fototransistor

4.6.- El Fototransistor

4.6.- Optotransistor

4.6.- Optotransistor: Uso como detector

Si

Vc > 2 Vc < 2

Vo = 0V Vo = 5V

4.6.- Optotransistor: Uso como detector

Canal obstruido VCE = 5V VC = 5V Vc > 2 Vo = 0V Canal no obstruido Para el diodo IF=20mA VF=1.5V 5-IFR-VF = 0 R=175

4.6.- Optotransistor: Uso como detector

5-ICRC-VCE = 0 IC=2mA VCE=0.4V RC= 2.3k

4.6.- Optotransistor: uso como optoacoplador

Un optoacoplador, tambin llamado optoaislador o aislador acoplado pticamente, es un dispositivo de emisin y recepcin que funciona como un interruptor excitado mediante la luz emitida por un diodo LED que satura un componente optoelectrnico, normalmente en forma de fototransistor. Se suele utilizar para aislar elctricamente a dispositivos muy sensibles.

4.6.- Optotransistor: Empleo como optoaislador(optoisolator)

Un optoaislador, es un dispositivo de emisin y recepcin que funciona como un interruptor excitado mediante la luz emitida por un diodo LED que satura un componente optoelectrnico, normalmente en forma de fototransistor. Se suele utilizar para aislar elctricamente a dispositivos muy sensibles. En este dispositivo no se puede interrumpir el canal.

4.6.- Optoaislador

4.6.- Optoaislador OPTOACOPLADOR

Se busca SEPARAR FSICAMENTE la etapa de control digital con la etapa de control de potencia.

4.6.- Ejemplo: Optoaislador

S1 abierto ILED = 0 Fototransistor en corte Vo = 5V S1 cerrado se debe hacer IF=16mA, IC=2mA VCESAT = 0.2V

4.6.- Optoaislador: Hoja de datosNecesitamos conocer informacin tcnica referente a los parmetros del optoacoplador para poder realizar nuestro diseo. Revisaremos los siguientes datos importantes del TIL192.

4.6.- Optoaislador Hoja de datos.

CTR.- La razn de transferencia de corriente (CTR) es definido como la razn de la corriente de salida del optoacoplador con respecto a su corriente de entrada en tanto por ciento, [(Iout/Iin)(100)].

4.6.- Optoaislador Hoja de datos.

4.6.- Optoaislador Hoja de datos.

4.6.- Ejemplo: Optoaislador

Con S1 cerrado Para el LED 5-ILEDR-VLED=0 De hojas tcnicas del optoaislador ILED=16mA@VLED=1.25V R=234

4.6.- Ejemplo: Optoaislador

Para el fototransistor 5-ICRC-0.2=0 De las hojas tcnicas IC=2mA, En la ecuacin se obtiene RC=2.4k