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Sesión 6: Teoría Básica de Transistores BJT

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  2. 2. SESIÓN 6: TEORÍA BÁSICA DE TRANSISTORES BJT
  3. 3. TRANSISTORES DE UNIÓN BIPOLAR (BJT) Los Transistores de Unión Bipolar son componentes electrónicos cuyo propósito elemental es la Amplificación de una Corriente de Salida mediante la Regulación de una Corriente de Entrada y un Factor de Ganancia. TRANSISTORES DE UNIÓN BIPOLAR (BJT) SÍMBOLOS GENÉRICOS PRESENTACIONES DE TRANSISTORES
  4. 4. TIPOS DE TRANSISTORES BIPOLARES BTJ DE BAJA POTENCIA (PROPÓSITO GENERAL O RF) TRANSISTORES DE UNIÓN BIPOLAR (BJT) BTJ DE MEDIA POTENCIA BTJ DE ALTA POTENCIA O COMPLEMENTARIOSFOTOTRANSISTORES
  5. 5. TERMINALES DE UN TRANSISTOR TRANSISTORES DE UNIÓN BIPOLAR (BJT) Base Colector Emisor Emisor Colector Base TRANSISTOR BJT TIPO NPN TRANSISTOR BJT TIPO PNP
  6. 6. CONFIGURACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE BJT’s ESTRUCTURA INTERNA SEMICONDUCTORA (TRANSISTOR NPN) N P N Colector SEMICONDUCTOR P (Concentración Media de Huecos) Base Emisor SEMICONDUCTOR N (Alta Concentración de Electrones) SEMICONDUCTOR N (Baja Concentración de Electrones)
  7. 7. P N P SEMICONDUCTOR N (Concentración Media de Electrones) Base Emisor SEMICONDUCTOR P (Alta Concentración de Huecos) SEMICONDUCTOR P (Baja Concentración de Huecos) Colector ESTRUCTURA INTERNA SEMICONDUCTORA (TRANSISTOR PNP) CONFIGURACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE BJT’s
  8. 8. CONFIGURACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE BJT’s
  9. 9. POLARIZACIÓN DE TRANSISTORES NPN y PNP CONFIGURACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE BJT’s POLARIZACIÓN TÍPICA (NPN) POLARIZACIÓN TÍPICA (PNP)
  10. 10. BJT’s COMO AMPLIFICADORES DE CORRIENTE
  11. 11. POLARIZACIÓN DE TRANSISTORES NPN y PNP La principal función de un transistor, como componente activo, es la Amplificación de Corriente Mediante Corriente CONFIGURACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE BJT’s POLARIZACIÓN TÍPICA La configuración consiste en suministrar un voltaje al colector y uno a la base, ambos de magnitudes diferentes. POLARIZACIÓN POR DIVISOR DE VOLTAJE La configuración consiste en utilizar el mismo voltaje en el colector; el voltaje para la base se ajusta con los valores de las resistencias R1 y R2
  12. 12. ELEMENTOS DE UN TRANSISTOR POLARIZADO CONFIGURACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE BJT’s Voltaje de Base (VBB) Resistencia de Base (RBB) Voltaje de Colector (VCC) Resistencia de Colector (RCC) + - Voltaje Colector Emisor VCE -Voltaje Base Emisor + VBE
  13. 13. ELEMENTOS DE UN TRANSISTOR POLARIZADO CONFIGURACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE BJT’s Voltaje de Base (VBB) Resistencia de Base (RBB) Voltaje de Colector (VCC) Resistencia de Colector (RCC) + - Voltaje Colector Emisor VCE -Voltaje Base Emisor + VBE
  14. 14. BJT’s COMO AMPLIFICADORES Cuando un Transistor BJT se emplea como Amplificador, la Corriente de Salida o de Interés es el valor o la magnitud de la Corriente de Colector (IC) IC
  15. 15. BJT’s COMO AMPLIFICADORES La Corriente de Colector depende de muchos factores, pero dos son fundamentales: el valor de la Corriente de Base (IB) y la Ganancia de Corriente de DC (β o hfe). IC IB β hfe La Corriente de Base está en función del Voltaje que entra a la terminal y el valor de la Resistencia de Base La Beta o Ganancia del Transistor es un factor que entrega el fabricante. Puede tener valores típicos o cambiar dependiendo de los valores de voltaje en el Colector y la Base, así como la temperatura.
  16. 16. CONFIGURACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE BJT’s
  17. 17. TRANSISTOR EN POLARIZACIÓN TÍPICA CÁLCULO DE PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE BJT’s CORRIENTE DE BASE ( IB ) 𝐼 𝐵 = 𝑉𝐵𝐵 − 𝑉𝐵𝐸 𝑅 𝐵 CORRIENTE DE COLECTOR ( IC ) 𝐼 𝐶 = β IB CORRIENTE DE EMISOR ( IE ) 𝐼 𝐸 = IB + IC VOLTAJE COLECTOR EMISOR ( VCE ) 𝑉 𝐶𝐸 = VCC - ICRC β CORRIENTE DE COLECTOR DE SATURACIÓN ( ICSAT ) 𝐼 𝐶𝑆𝐴𝑇 = 𝑉 𝐶𝐶 𝑅 𝐶 VOLTAJE COLECTOR EMISOR DE CORTE ( VCEOFF ) 𝑉 𝐶𝐸𝑂𝐹𝐹 = VCC
  18. 18. CÁLCULO DE PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE BJT’s EJEMPLO: Determinar cada una de los parámetros del siguiente transistor: β = 150
  19. 19. CÁLCULO DE PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE BJT’s EJEMPLO: AMPLIFICADORES CON BJT’s TIPO PNP Determinar cada una de los parámetros del siguiente transistor:
  20. 20. TRANSISTOR CON POLARIZACIÓN ESTABILIZADA EN EL EMISOR CÁLCULO DE PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE BJT’s CORRIENTE DE BASE ( IB ) 𝐼 𝐵 = 𝑉𝐵𝐵 − 𝑉𝐵𝐸 𝑅 𝐵 + β + 1 𝑅 𝐸 CORRIENTE DE COLECTOR ( IC ) 𝐼 𝐶 = β IB CORRIENTE DE EMISOR ( IE ) 𝐼 𝐸 = IB + IC VOLTAJE COLECTOR EMISOR ( VCE ) 𝑉 𝐸𝐶 = VCC – IC(RC + RE) CORRIENTE DE COLECTOR DE SATURACIÓN ( ICSAT ) 𝐼 𝐶𝑆𝐴𝑇 = 𝑉 𝐶𝐶 𝑅 𝐶 + 𝑅 𝐸 VOLTAJE COLECTOR EMISOR DE CORTE ( VCEOFF ) 𝑉 𝐶𝐸𝑂𝐹𝐹 = VCC
  21. 21. CÁLCULO DE PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE BJT’s EJEMPLO: AMPLIFICADORES CON BJT’s TIPO PNP Determinar cada una de los parámetros del siguiente transistor:
  22. 22. CÁLCULO DE PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE BJT’s VOLTAJE DE THÉVENIN ( VTH ) 𝑉 𝑇𝐻 = 𝑉𝐶𝐶 𝑅2 𝑅1 + 𝑅2 RESISTENCIA DE THÉVENIN ( RTH ) 𝑅 𝑇𝐻 = 𝑅1 ∗ 𝑅2 𝑅1 + 𝑅2 TRANSISTOR EN POLARIZACIÓN POR DIVISOR DE VOLTAJE MODELO EQUIVALENTE DE THÉVENIN
  23. 23. CORRIENTE DE BASE ( IB )* 𝐼 𝐵 = 𝑉𝑇𝐻 − 𝑉𝐵𝐸 𝑅 𝑇𝐻 CORRIENTE DE COLECTOR ( IC ) 𝐼 𝐶 = β IB CORRIENTE DE EMISOR ( IE ) 𝐼 𝐸 = IB + IC VOLTAJE COLECTOR EMISOR ( VCE )* 𝑉 𝐸𝐶 = VCC - ICRC CÁLCULO DE PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE BJT’s TRANSISTOR EN POLARIZACIÓN POR DIVISOR DE VOLTAJE *NOTA: Si el circuito no tiene resistencia de emisor, se aplican estas fórmulas; en caso de existir, se deben tomar las fórmulas de cálculo de polarización con estabilización de emisor, incluyendo las de saturación y corte.
  24. 24. Ejemplo: Calcular los parámetros eléctricos del siguiente circuito. CÁLCULO DE PARÁMETROS ELÉCTRICOS DE BJT’s
  25. 25. BJT’s COMO CONMUTADORES
  26. 26. ESTADO DE CORTE CONFIGURACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE BJT’s Cuando un transistor se halla en la región de Corte, la Resistencia de Base tiene un valor tan grande que no permite el flujo de corriente, por tanto, no hay corriente que se amplifique. Sin embargo, entre el colector y el emisor se refleja un voltaje (VCEOFF o valor alto)
  27. 27. CONFIGURACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE BJT’s ESTADO DE CORTE En estado de corte, se considera al transistor como completamente apagado, es decir, no hay corriente de colector suficiente, o ésta es muy pequeña que es despreciable. Al no haber suficiente corriente, entre en colector y el emisor se refleja el voltaje del colector, lo que permite establecer un valor “ALTO (1)” cuando la entrada es “BAJO (0)”
  28. 28. ESTADO DE SATURACIÓN CONFIGURACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE BJT’s Cuando un transistor se halla en la región de Saturación, la Resistencia de Base tiene un valor muy bajo, o cercano a cero, lo que provoca que el transistor amplifique la corriente hasta un nivel conocido como Corriente de Saturación, que es el valor máximo que puede amplificar el BJT. Aquí, entre el colector y el emisor no hay voltaje, o bien éste es muy pequeño (Valor Bajo)
  29. 29. CONFIGURACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE BJT’s ESTADO DE SATURACIÓN En estado de saturación, se considera al transistor como completamente encendido, es decir, que está entregando la corriente máxima que la configuración puede brindar o que el transistor puede amplificar. Como circula toda la corriente, entre en colector y el emisor se refleja una caída de voltaje, lo que permite establecer un valor “BAJO (0)” cuando la entrada es “ALTO (0)”
  30. 30. CONFIGURACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE BJT’s Los estados de corte y saturación se ajustan con los valores de las Resistencias de Base y Emisor, de tal manera que se alcance los parámetros de Corriente de Colector de Saturación (ICSAT) y la Corriente de Base Mínima (IBMIN) ESTADO DE CORTE Y SATURACIÓN
  31. 31. CONFIGURACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE BJT’s CORRIENTE DE COLECTOR DE SATURACIÓN ( ICSAT ) 𝐼 𝐶𝑆𝐴𝑇 = 𝑉 𝐶𝐶 − 𝑉 𝐶𝐸𝑆𝐴𝑇 𝑅 𝐶 Corriente máxima entregada por el transistor, que está en función de los parámetros del circuito. Voltajes de Base y de Colector Resistencias de Polarización Beta del Transistor Donde: VCC: Voltaje de Colector (V) VCESAT: Voltaje Colector-Emisor de Saturación (V) RC: Resistencia de Colector
  32. 32. CONFIGURACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE BJT’s CORRIENTE DE BASE MÍNIMA ( IBMÍN ) Corriente de base mínima requerida para producir saturación del transistor. Si la corriente de base es mayor a éste valor, se obtiene saturación; si fuese menor, se enciende el transistor pero no se satura. Donde: ICSAT: Corriente de Colector de Saturación (A) β: Beta o Factor de Amplificación del Transistor 𝐼 𝐵𝑀𝐼𝑁 = 𝐼 𝐶𝑆𝐴𝑇 β
  33. 33. CONFIGURACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE BJT’s RESISTENCIA DE BASE PARA SATURACIÓN ( RBSAT ) Valor resistivo requerido para que se permita alcanzar el estado de saturación en el transistor, independientemente del voltaje aplicado a la base Donde: ICSAT: Corriente de Colector de Saturación (A) VCESAT : Voltaje Colector Emisor de Saturación (V) 𝑅 𝐵𝑆𝐴𝑇 = 𝑉 𝐶𝐸𝑆𝐴𝑇 𝐼 𝐶𝑆𝐴𝑇
  34. 34. CONFIGURACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE BJT’s VOLTAJE COLECTOR EMISOR DE CORTE ( VCEOFF ) Voltaje medido entre el colector y el emisor que se obtiene cuando en la base no hay corriente suficiente (o bien ésta es cero) para encender el transistor. Donde: VCC: Voltaje de Colector (V) 𝑉 𝐶𝐸𝑂𝐹𝐹 = 𝑉𝐶𝐶 + - Vce = Vcc (OFF)
  35. 35. CONFIGURACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE BJT’s Analice el siguiente circuito, y responda las siguientes preguntas: ¿Qué valor tiene Vce cuando Vent es 0 V ? ¿Qué valor de Ib se requiere para llevar a Saturación si el transistor fuese un C1815 (Consultar Vcesat y β en Hoja de datos)? ¿Qué valor debe tener la resistencia de base para permitir una Ibmin de 50 µA?
  36. 36. CONFIGURACIÓN Y FUNCIONAMIENTO DE BJT’s Para el siguiente circuito, determine la Corriente de Base y Colector, así como el Voltaje entre Colector y Emisor, en ambos estados de la señal cuadrada. Suponga el nivel alto de la señal como 5V y el nivel bajo 0V; con esos datos, determine la Corriente de Colector de Saturación y la Corriente de Base Mínima para alcanzar saturación. Tome como Vcesat= 0.2 V y determine si la resistencia de base actual es suficiente para alcanzar saturación.

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