El transistor bipolar

Corbes característiques

Polarització del transistor

El transistor bipolar

Introducció

Abans de descobrir el transistor (1950), els circuits electrònics estaven constituïts a base de vàlvules de buit. Aquestes eren voluminoses, provocaven un gran consum d’energia i la seva vida era curta.

L’invent del primer transistor per Shockley donar pas a una nova era.

Constitució

El transistor bipolar està format per tres cristalls semiconductors alternant els tipus N i P, donant lloc a dos tipus diferents, els NPN i els PNP.

L’emissor es fabrica molt dopat, mentre que la base es realitza poc dopada i molt prima.

Gairebé tots els portadors que surten de l’emissor travessen la base i arriben al col · lector, sent aquest flux d’electrons regulat per la tensió aplicada a la base.

Identificació de terminals

Per identificar el tipus de transistor (NPN o PNP) i la disposició dels seus terminals ens basem en les propietats de la unió PN d’oferir poca resistència en polarització directa i alta en polarització inversa.

És fàcil identificar la base, ja que haurà de presentar baixa resistència respecte dels altres dos terminals.

A més, la unió base-col·lector té menor resistència que la unió base-emissor, el que identifica els altres dos terminals.

Comprovació de l’estat del transistor

Haurà de tenir:

Alguns polímetres tenen comprovador de transistors sent capaços de mesurar el seu guany i d’identificar les seves terminals ja que, si no es connecta adequadament, no mesura cap guany. Per a això disposen de dues files de tres connexions, una per transistors PNP i una altra per transistors NPN.

Distribució de corrents

En els esquemes següents es representa el repartiment de corrents per un transistor PNP.

S’ha polaritzat la unió base-emissor directament i la unió base-col·lector inversament.

En polaritzar directament l’emissor i la base, s’estableix un corrent que hauria de tancar per la malla emissor-base. No obstant això, en ser la base molt prima i estar el col · lector molt "negatiu", gairebé tota la càrrega travessa la base cap al col · lector, sent el corrent de col · lector molt major que la de base (99%), complint l’equació:

I E   = I B   + I C

Encara que la corrent de base és molt petita, és molt important, regulant la de col · lector. El corrent de col · lector disminueix i augmenta amb la de base i si aquesta s’anul·la, la de col·lector també s’anul·la.

Per al cas d’un transistor NPN, el raonament és anàleg.

No obstant això, en aquest cas, es comprèn millor el repartiment de corrents si es considera el sentit de corrent "electrònic".

Paràmetres del transistor.

Indica la relació entre els corrents de col · lector i emissor

El seu valor és una mica inferior a la unitat.

És la relació entre els corrents de col · lector i de base.

Es pot deduir la relació entre ambdós paràmetres.

El guany de corrent no és constant, sinó que augmenta amb el corrent de col · lector i amb la temperatura.

En dissenyar circuits amb transistors s’inclouen sistemes que compensin o minimitzin aquestes variacions.

Tensions de ruptura.

En polarització inversa, les unions no suporten qualsevol tensió. Caldrà tenir en compte:

Sol ser elevada (de 20 a 300 volts) i provoca un petit corrent de fuites (I CBO).

També provoca un corrent de fuites (I CEO).

 

Corbes característiques

Són corbes que relacionen entre si diferents magnituds referents al transistor, com són:

Tractarem únicament les corbes característiques en la polarització amb emissor comú per ser la més àmpliament utilitzada.

Característica I C   = F (V CE) per a R B   = C et

Se sol representar una família de corbes per a diverses intensitats de base diferents. Mantenint constant la intensitat de base es representen els valors del corrent de col · lector per a diferents tensions col·lector-emissor.

Per intensitats de base no molt altes la tensió V CE   afecta poc a la intensitat de col · lector que es manté gairebé constant per a cada intensitat de base, sempre que la tensió V CE   es mantingui per sobre d’uns 0,7 volts i per sota de la de ruptura.

Per a una mateixa V CE   la intensitat de col · lector creix molt (de l’ordre de miliampers) per a petits increments del corrent de base (de l’ordre de microampers).

 

Per exemple:

Per V CE   = 20 V

  • D I B   = 150 - 50 = 100   m A 
    D
     I B   
    = 0,1 mA
  • D I C   = 39 - 12 = 27 mA

De la qual cosa es dedueix la capacitat del transistor per amplificar corrents.

Es pot obtenir el guany del transistor a partir de les corbes.

També permeten determinar la   resistència de sortida   que vindria donada per:

Per exemple:
  • D V CE   = 40 - 20 = 20 V
  • D I C   = 43-39 = 4 mA

Característica I B   = F (V BE) per V CE   = C et

Es tracta de corbes molt similars a les d’un díode, on es manté constant la V CE   i es representa la intensitat de base en funció de la tensió V BE.

Com passa amb els díodes hi ha certa diferència entre els transistors de germani que comencen a conduir a uns 0.2 volts de tensió V BE   i els de silici que ho fan a uns 0,6 volts. Encara que gairebé tots els transistors utilitzats són de silici dels de germani encara s’usen en certes aplicacions.

Aquestes corbes permeten el càlcul de la resistència d’entrada:

La resistència d’entrada es fa molt petita un cop s’ha superat el colze de la tensió de conducció.

Per exemple, per al silici:

D I B   = 100 - 50 = 50   m A

D V BE   = 0,89-0,87 = 0,02 V

Característiques de potència màxima

El transistor posseeix una resistència entre el col · lector i l’emissor que depèn de la intensitat aplicada a la base.

Per efecte Joule el transistor dissipa una potència en aquesta resistència en forma de calor.

Si se supera la potència màxima indicada pel fabricant el transistor podria destruir.

La potència màxima a què pot treballar un transistor ve donada per la temperatura a la unió de col · lector i depèn de la temperatura ambient.

Per augmentar la potència en un transistor sense que es destrueixi es pot recórrer a col·locar un dissipador de calor o aleta de refrigeració que l’ajudi a evacuar la calor a l’ambient.

 

Polarització del transistor

Polaritzar un transistor consisteix a subministrar les tensions adequades i connectar les resistències oportunes perquè el transistor funcioni dins dels límits indicats en el disseny, de manera que la senyal aplicat a l’entrada no resulti deformada a la sortida.

Hi ha tres configuracions fonamentals, de les quals la més utilitzada és la d’emissor de comú:

Polarització mitjançant dues fonts d’alimentació

Les tensions V BE   i V CE   adequades s’aconsegueixen mitjançant dues bateries independents: V BB   i V CC.

Necessita dues fonts i és molt sensible als canvis de beta i de temperatura.

Polarització mitjançant una sola font d’alimentació

Per realimentació de l’emissor

Les tensions adequades de V BE   i V CE   s’aconsegueixen triant adequadament les resistències, sent comú a l’entrada i a la sortida la caiguda de tensió en R E

  • V BE   = V CC   - V RB   - V RE

  • V CE   = V CC   - V RC   - V RE

Un augment de temperatura o de beta provoca un augment de R C  i per tant de I E   i de la tensió en R E. La tensió en R B  disminuirà i també I B   compensant l’increment de la sortida.

Per realimentació del col · lector

La caiguda de tensió en R C   és comú al circuit d’entrada i al de sortida

  • V BE   = V CC   - V RC   - V RB

  • V CE   = V CC   - V RC

R C   pertany al circuit d’entrada i de sortida (realimentació).

És més estable davant els canvis de temperatura i de beta ja que si augmenta I C   ho fa V RC   el que fa disminuir la tensió en R B   i per tant el corrent de base. Augments de I C   provoquen una reducció de R B   que compensa aquest increment.

Per realimentació de l’emissor amb divisor de tensió.

És una variant de la polarització per realimentació de l’emissor on la tensió a la base s’aconsegueix mitjançant un divisor de tensió (RB1   i R B2).

  • V BE   = V CC   - V RB1   - V RE

  • V CE   = V CC   - V RC   - V RE