El transistor bipolar es el elemento de circuito "activo" más importante utilizado en la electrónica moderna y forma la base de la mayoría de los circuitos integrados y op-amps lineales y digitales, etc.
El transistor bipolar es el elemento de circuito "activo" más importante utilizado en la electrónica moderna y forma la base de la mayoría de los circuitos integrados y op-amps lineales y digitales, etc. En su forma discreta, puede funcionar como un interruptor digital o como un amplificador lineal, y está disponible en muchas formas de baja, media y alta potencia. Este episodio de apertura se concentra en la teoría básica de transistores, características y configuraciones de circuitos. Las siete partes restantes de la serie presentarán una amplia gama de circuitos de aplicación de transistores bipolares prácticos.
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FUNDAMENTOS DEL TRANSISTOR BIPOLAR
Un transistor bipolar (primero inventado en 1948) es un dispositivo de amplificación de corriente de tres terminales (base, emisor y colector) en el que una pequeña corriente de entrada puede controlar la magnitud de una corriente de salida mucho mayor. El término "bipolar" significa que el dispositivo está hecho de materiales semiconductores en los que la conducción se basa tanto en portadores de carga positivos como negativos (mayoritarios y minoritarios).
FIGURA 1. Construcción básica (a) y símbolo (b) del transistor npn.
FIGURA 2. Construcción básica (a) y símbolo (b) del transistor pnp.
Un transistor normal está hecho de un emparedado de tres capas de material semiconductor de tipo n y tipo p, con el terminal de base o de control conectado a la capa central y los terminales de colector y emisor conectados a las capas externas. Si utiliza un sandwich de construcción npn, como en la figura 1 (a) , se conoce como transistor npn y utiliza el símbolo estándar en la figura 1 (b) . Si utiliza una estructura pnp, como en la figura 2 (a) , se conoce como transistor pnp y utiliza el símbolo de la figura 2 (b) .
FIGURA 3.
Conexiones de polaridad a (a) npn y (b) transistores pnp.
En uso, los transistores npn y pnp necesitan cada uno una fuente de alimentación de la polaridad apropiada, como se muestra en la Figura 3 . Un dispositivo npn necesita una alimentación que hace que el colector sea positivo para el emisor - su salida o corriente de la señal del terminal principal ( Ic ) fluye desde el colector al emisor y su amplitud es controlada por una corriente ( Ib ) de "control" de entrada que fluye desde la base al emisor a través de una resistencia externa limitadora de corriente ( Rb ) y una tensión de polarización positiva. Un transistor pnp necesita una alimentación negativa - su corriente de terminal principal fluye de emisor a colector, y es controlada por una corriente de entrada de emisor a base que fluye a una tensión de polarización negativa.
En los primeros años de uso de transistores bipolares, la mayoría de los transistores estaban hechos de materiales semiconductores de germanio. Tales dispositivos tenían muchas desventajas prácticas: eran frágiles, excesivamente sensibles a la temperatura, ruidos electrónicos, y tenían capacidades de manejo de potencia muy pobres. Los transistores de germanio están ahora obsoletos. Prácticamente todos los transistores bipolares modernos están hechos de materiales semiconductores de silicio. Tales dispositivos son robustos, tienen una buena capacidad de manejo de potencia, no son excesivamente sensibles a la temperatura, y generan ruido electrónico insignificante.
FIGURA 4. Características generales y contornos de los transistores de silicio 2N3904 y 2N3906 de baja potencia.
Hoy en día, una variedad muy amplia de excelentes tipos de transistores bipolares de silicio están disponibles. La Figura 4 enumera las características básicas de dos tipos típicos de uso general de baja potencia: el 2N3904 (npn) y el 2N3906 (pnp), que están alojados en una caja de plástico TO-92 y que tienen las conexiones de pasador debajo del lado mostradas en el diagrama. Tenga en cuenta que al leer la lista de la Figura 4 , V CEO (max) es el voltaje máximo que puede aplicarse entre el colector y el emisor cuando la base es de circuito abierto, y V CBO (max) es el voltaje máximo que se puede aplicar entre el colector y la base cuando el emisor es de circuito abierto. I C (máximo)es la corriente media máxima que se puede permitir que fluya a través del terminal colector del dispositivo, y P T (máx.) es la potencia media máxima que el dispositivo puede disipar, sin el uso de un disipador externo, a temperatura ambiente normal.
Uno de los parámetros más importantes del transistor es su relación de transferencia de corriente hacia adelante, o h fe - es la relación de corriente de ganancia o de entrada / salida del dispositivo (típicamente de 100 a 300 en los dos dispositivos listados). Por último, la f T figura indica la ganancia / anchura de banda de frecuencia producto disponible del dispositivo, es decir, si el transistor se utiliza en una configuración de retroalimentación de tensión que proporciona una ganancia de voltaje de x100, el ancho de banda es 1/100 de la f T figura, pero si la ganancia de voltaje se reduce a x10, el ancho de banda aumenta a f T / 10, etc.
CARACTERÍSTICAS DEL TRANSISTOR
FIGURA 5.
Circuitos equivalentes estáticos de los transistores npn y pnp.
Para obtener el valor máximo de un transistor, el usuario debe entender sus características estáticas (DC) y dinámicas (AC). La figura 5 muestra los circuitos equivalentes estáticos de los transistores npn y pnp. Un diodo zener está formado inevitablemente por cada una de las uniones de np o pn del transistor, y el transistor es así (en términos estáticos) igual a un par de diodos zener conectados inversamente cableados entre los terminales de colector y emisor, con el terminal de base conectado a su punto "común". En la mayoría de los transistores de uso general de baja potencia, la unión de base a emisor tiene un valor zener típico en el rango de 5V a 10V - el valor zener típico de la unión de base a colector está en el rango de 20V a 100V.
Por lo tanto, la unión base-emisor del transistor actúa como un diodo ordinario cuando se polariza hacia delante y como un zener cuando se polariza en sentido inverso. En los transistores de silicio, una unión polarizada hacia delante pasa poca corriente hasta que el voltaje de polarización asciende a aproximadamente 600 mV, pero más allá de este valor, la corriente aumenta rápidamente. Cuando sesgada hacia adelante por una corriente fija, tensión directa de la unión tiene un coeficiente térmico de aproximadamente -2mV / 0 C. Cuando el transistor se utiliza con el emisor de circuito abierto, la unión actos de base a colector como que se acaba de describir, pero tiene un mayor valor zener. Si el transistor se utiliza con su circuito abierto de base, el trayecto del colector al emisor actúa como un diodo zener conectado en serie con un diodo ordinario.
Figura 6. características de transferencia típicos de transistores npn de baja potencia con h Fe valor de 100 nominal.
Las características dinámicas del transistor se pueden entender con la ayuda de la figura 6 , que muestra las típicas características de transferencia directa de un transistor de silicio npn de baja potencia con un valor nominal de h fe (ganancia de corriente) de 100. Así, cuando la corriente de base (I b ) es cero, el transistor sólo pasa una ligera corriente de fuga. Cuando la tensión del colector es superior a unos pocos cientos de milivoltios, la corriente del colector es casi directamente proporcional a las corrientes de base y está poco influenciada por el valor del voltaje del colector. De este modo, el dispositivo puede utilizarse como generador de corriente constante alimentando una corriente de polarización fija en la base o puede utilizarse como amplificador lineal superponiendo la señal de entrada a una corriente nominal de entrada.
APLICACIONES PRÁCTICAS
Un transistor se puede utilizar en una variedad de configuraciones de circuitos básicos diferentes, y el resto de este episodio de apertura presenta un breve resumen de los más importantes de estos. Tenga en cuenta que, aunque todos los circuitos se muestran usando tipos de transistor npn, pueden usarse con tipos pnp simplemente cambiando las polaridades del circuito, etc.
DIODOS Y CIRCUITOS DE CONMUTACIÓN
FIGURA 7. Circuito de diodo de sujeción, utilizando un transistor npn como diodo.
La unión base-emisor o colector-base de un transistor de silicio puede usarse como un simple diodo o rectificador, o como un diodo zener al utilizarlo en la polaridad apropiada. La figura 7muestra dos maneras alternativas de utilizar un transistor npn como una simple pinza de diodo que convierte una forma de onda rectangular de entrada acoplada a CA en una salida rectangular que oscila entre cero y un valor de tensión positivo, es decir, que pinza la señal de salida a la punto de referencia de cero voltios a través de la unión interna de base-emisor o del colector de base "diodo" del transistor.
FIGURA 8. Un transistor utilizado como diodo zener.
FIGURA 9. Interruptor de transistor o inversor digital.
FIGURA 10. Interruptor de transistor (inversor digital) que acciona una bobina de relé (u otra carga inductiva).
FIGURA 11. Amplificador lineal de emisor común.
FIGURA 12. Amplificador lineal de base común.
FIGURA 13. Amplificador lineal de colector común DC o seguidor de tensión.
FIGURA 14. Amplificador de colector común de CA o seguidor de voltaje.
FIGURA 15. Rendimientos comparativos de las tres configuraciones básicas del circuito.
La figura 8 muestra un transistor npn utilizado como diodo zener que convierte una tensión de alimentación no regulada en una salida regulada de valor fijo con un valor típico en el intervalo de 5V a 10V, dependiendo del transistor individual. Únicamente la unión de base-emisor polarizada inversamente del transistor es adecuada para su uso en esta aplicación. Si se usa la unión de base-colector polarizada inversamente, el valor de zener se eleva típicamente en el intervalo de 30V-100V, y el transistor puede autodestruirse (debido al sobrecalentamiento) a niveles de corriente zener bastante bajos.
La figura 9 muestra un transistor utilizado como un simple conmutador electrónico o inversor digital. Su base es accionada (vía R b ) por una entrada digital que es a cero voltios o en un valor positivo, y la carga R L se conecta entre el colector y el carril positivo de la fuente. Cuando la tensión de entrada es cero, el transistor se corta y circula corriente cero a través de la carga, de modo que la tensión de alimentación completa aparece entre el colector y el emisor. Cuando la entrada es alta, el interruptor del transistor se activa totalmente (saturado) y la corriente máxima fluye en la carga, y sólo unos pocos cientos de milivoltios se desarrollan entre el colector y el emisor. La tensión de salida es así una forma invertida de la señal de entrada.
El circuito básico de la Figura 9 está diseñado para ser utilizado como un simple interruptor digital o inversor, que conduce una carga puramente resistiva. Puede utilizarse como un interruptor electrónico que acciona una bobina de relé u otra carga altamente inductiva (tal como un motor de corriente continua) conectándola como se muestra en la figura 10 , en la que los diodos D1 y D2 protegen el transistor del apagado de alto valor - inducida detrás EMFs de la carga inductiva en el momento de la energía apagado.
CIRCUITOS LINEALES DEL AMPLIFICADOR
Un transistor puede utilizarse como un amplificador de corriente o voltaje lineal alimentando una corriente de polarización adecuada en su base y luego aplicando la señal de entrada entre un par apropiado de terminales. En este caso, el transistor puede utilizarse en cualquiera de los tres modos de funcionamiento básicos, cada uno de los cuales proporciona un conjunto único de características. Estos tres modos se conocen como "emisor común" ( Figura 11 ), "base común" ( Figura 12 ) y "colector común" ( Figuras 13 y 14 ).
En el circuito de emisor común (que se muestra en forma muy básica en la figura 11 ), la carga resistiva RL está conectada entre el colector del transistor y la línea de alimentación positiva, y una corriente de polarización se alimenta a la base a través de la resistencia Rb , se elige para ajustar el colector a un valor de tensión de suministro medio inactivo (para proporcionar oscilaciones de señal de salida no distorsionadas máximas). La señal de entrada se aplica entre la base del transistor y el emisor a través del condensador C, y la señal de salida (que está invertida en fase con respecto a la entrada) se toma entre el colector y el emisor. Este circuito proporciona una impedancia de entrada de valor medio y una ganancia de tensión global bastante alta.
En el circuito de base común de la figura 12 , la base está polarizada a través de Rb y está desacoplada en corriente alterna (o con conexión a tierra) a través del condensador Cb . La señal de entrada se aplica eficazmente entre el emisor y la base vía C1, y la señal de salida amplificada pero no invertida se toma efectivamente entre el colector y la base. Este circuito cuenta con una buena ganancia de voltaje, una ganancia de corriente de casi unidad y una impedancia de entrada muy baja.
En el circuito de colector común de CC de la figura 13 , el colector está cortocircuitado al raíl de alimentación positiva de baja impedancia y, por lo tanto, está efectivamente en el nivel de impedancia de tierra virtual. La señal de entrada se aplica entre la base y la tierra (colector virtual), y la salida no invertida se toma entre el emisor y la tierra (colector virtual). Este circuito proporciona una ganancia de voltaje global casi unitaria, y su salida "sigue" a la señal de entrada. Por lo tanto, se le conoce como seguidor de tensión continua (o seguidor de emisor) y tiene una impedancia de entrada muy alta (igual al producto de los valores R L y h fe ).
Obsérvese que el circuito anterior puede modificarse para el uso de CA simplemente polarizando el transistor a voltios de medio suministro y acoplando en CA la señal de entrada a la base, como se muestra en el circuito básico de la Figura 14 , en el que el divisor de potencial R1-R2 proporciona el sesgo de media tensión de suministro.
El gráfico de la figura 15 resume las prestaciones de las tres configuraciones básicas del amplificador. Por lo tanto, el amplificador de colector común proporciona una ganancia de voltaje global casi unitaria y una impedancia de entrada alta, mientras que los amplificadores de emisor común y de base común dan valores altos de ganancia de voltaje, pero tienen valores medios a bajos de impedancia de entrada.
EL AMPLIFICADOR DIFERENCIAL
La figura 16 muestra - en forma básica - cómo un par de amplificadores del tipo básico de la figura 11 puede acoplarse entre sí para formar un amplificador "diferencial" o "par de cola larga" que produce una señal de salida que es proporcional a la diferencia entre el dos señales de entrada. En este caso, Q1 y Q2 comparten una resistencia de emisor común (la "cola"), y el circuito está polarizado (a través de R1-R2 y R3-R4) de manera que los dos transistores transmiten corrientes de colector idénticas dos voltajes de colector) bajo condiciones de entrada cero de reposo.
FIGURA 16. Amplificador diferencial o par de cola larga.
Si en el circuito anterior se aplica una tensión de entrada ascendente a la entrada de un transistor solamente, hace que la tensión de salida de ese transistor caiga y (como resultado de la acción de acoplamiento del emisor) haga que la tensión de salida del otro transistor suba por una cantidad similar, dando así una gran tensión de salida diferencial entre los dos colectores. Si se aplican señales idénticas a las entradas de ambos transistores, por otra parte, ambos colectores se moverán en cantidades idénticas, y el circuito producirá así una señal de salida diferencial cero. Por lo tanto, el circuito produce una señal de salida que es proporcional a la diferencia entre las dos señales de entrada.
LA CONEXIÓN DE DARLINGTON
FIGURA 17. Seguidor de emisores Darlington o Super-Alpha DC.
La impedancia de entrada del circuito seguidor de emisor de la figura 13 es igual al producto de RL y los valores de h fe del transistor - si se desea una impedancia de entrada ultra alta, se puede obtener reemplazando el transistor único por un par de transistores conectados en la "Darlington" o Super-Alpha, como se muestra en la Figura 17 . En este caso, la corriente de emisor del transistor de entrada se alimenta directamente en la base del transistor de salida y el par actúa como un único transistor con un valor de h fe total igual al producto de los dos valores de hfe individuales, es decir, si cada transistor tiene un valor de h fe de 100, el par actúa como un solo transistor con una h fede 10000, y el circuito general presenta una impedancia de entrada de 10000 x R L .
CIRCUITOS MULTIVIBRADORES
Un multivibrador es, en esencia, un circuito digital de dos estados que puede ser conmutado desde el estado de salida alto al estado de salida baja, o viceversa, a través de una señal de activación que puede derivarse de una fuente externa o de un modo automático o mecanismo de sincronización activado. Los transistores se pueden utilizar en cuatro tipos básicos de circuitos multivibradores, como se muestra en las figuras 18 a 21 .
FIGURA 18. Multivibrador biestable de disparo manual.
FIGURA 19. Multivibrador monostable accionado manualmente.
El circuito de la figura 18 es un multivibrador biestable de acoplamiento cruzado simple, activado manualmente, en el que la polarización de base de cada transistor se deriva del colector del otro, de manera que un transistor se apaga automáticamente cuando el otro se enciende y el vicio versa
Por lo tanto, la salida se puede conducir baja girando brevemente Q2 apagado vía S2, así cortocircuitando la trayectoria base-emisor de Q2. A medida que Q2 desactiva la unidad de base de alimentación R2-R4 a la base Q1, el circuito se bloquea automáticamente en este estado hasta que Q1 se desactiva de forma similar por S1, momento en el que la salida se bloquea de nuevo en el estado alto y así sucesivamente ad infinitum.
La figura 19 muestra - en forma básica - un multivibrador monostable o un circuito generador de impulsos de disparo único. Su salida (desde el colector Q1) es normalmente baja, ya que Q1 es normalmente polarizada en R5, pero cambia a un periodo preestablecido (determinado por los valores del componente C1-R5) si Q1 se apaga brevemente al cerrar momentáneamente el pulsador " Start "interruptor S1.
El periodo de sincronización monostable real comienza cuando se libera el interruptor "Start" del pulsador, y tiene un periodo (P) de aproximadamente 0,7 x C1 x R5, donde P está en μS, C está en μF y R está en kilohmios.
FIGURA 20. Generador multivibrador astable o generador de onda cuadrada libre.
FIGURA 21. Disparador de Schmitt o convertidor de forma de onda senoidal a cuadrada.
La figura 20 muestra un multivibrador astable, o generador de onda cuadrada libre, en el que los períodos de encendido y apagado de la onda cuadrada están determinados por los valores de los componentes C1-R4 y C2-R3. Básicamente, este circuito actúa como un par de circuitos monostables de acoplamiento cruzado, que se activan automáticamente secuencialmente. Si los períodos de tiempo C1-R4 y C2-R3 son idénticos, el circuito genera una onda de salida de onda cuadrada libre. Si los dos periodos de temporización no son idénticos, el circuito genera una forma de onda de salida asimétrica.
Por último, la Figura 21 muestra un disparador básico de Schmitt o un circuito convertidor de forma de onda senoidal a cuadrada. La acción del circuito aquí es tal que Q2 cambia abruptamente desde el estado de "encendido" al estado de "apagado", o viceversa, ya que la base de Q1 va por encima o por debajo de los niveles de voltaje predeterminados.
Si la entrada del circuito se alimenta con una entrada de onda senoidal de amplitud razonable, el circuito genera así una onda de onda de onda cuadrada simpática.
