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1.2.1 Polarización del BJT. Modos de polarizar un transistor bipolar. • Polarización fija o de base • Polarización por retroalimentación del emisor. • Polarización por retroalimentación del colector. • Polarización por divisor de tensión. Se analizaran cada una de las técnicas de polarización antes mencionadas con la intención de que se utilice la mas adecuada para alguna aplicación en particular, las cuales puedan ser, el transistor como interruptor, transistor como fuente de corriente, estabilidad del punto de operación en un amplificador, etc. INTRODUCCION. Como el transistor es considerado una fuente de corriente dependiente de la corriente de base, podemos deducir que la malla de base es la que polariza al transistor para obtener ciertas características de corriente y voltaje en la malla de salida, que es donde se obtiene la amplificación. POLARIZACIÓN FIJA. RC RC RB RB VCC iB Análisis en la malla de base: VCC = RB iB + vBE V −v iB = CC BE RB VCC RB Recta de polarización. Esta ecuación representa una recta que en intersección nos proporciona la corriente de base y la tensión base-emisor de operación. I BQ vBEQ VCC vBE Como la variable a controlar es la corriente de colector y esta a su vez depende de la corriente de base __________________________________________________________________________________________ Ing. José Manuel Glez. Rojas Notas de la Clase de Electrónica II 1 ic = β VCC − vBE RB ⎧ vCE = 0 ⎪ Saturación ⎨ VCC = i C ⎪ RC ⎩ De esta ecuación puede notarse que la corriente de colector variara para el mismo diseño debido a la gran variación de β para un transistor, aún tratándose del mismo tipo. VCC RC Análisis en la malla de colector: VCC = RC iC + vCE V −v iC = CC CE RC I CQ A esta ecuación se le conoce como recta de carga en C.D. y sobre la que se encuentra el punto de operación. Con dos puntos conocidos dicha recta puede trazarse, estos puntos son: ⎧ i =0 Corte ⎨ C ⎩vCE = VCC Q VCEQ VCC El punto de operación depende de los parámetros que intervienen en la malla de base. Ejemplos: 1. Un transistor tiene una β típica de 100, encontrar los valores adecuados de resistencias para la siguiente condición de polarización: VCC = 12V RB = ? I CQ = 4mA RC = ? RB RC Punto de operación igual a la mitad de la recta de carga. Solución: I CQ V −v = β CC BE RB RB = β VCC − vBE I CQ RB = (100) 12V − 0.7V 4mA RB = 282.5K Ω __________________________________________________________________________________________ Ing. José Manuel Glez. Rojas Notas de la Clase de Electrónica II 2 Como el punto Q debe estar situado a la mitad de la recta de carga, entonces: V vCEQ = CC = 6V 2 V −v I CQ = CC CEQ RC RC = VCC − vCEQ I CQ RC = 1.5K Ω 2. Si el circuito del ejemplo 1, se pretende fabricar en gran escala y dado que el transistor utilizado puede tener una β mínima de 60 y una máxima de 180 determine la máxima variación que experimentara el punto de operación. Solución: I Q max = β max VCC − vBE RB I Q max = (180) Esto corresponde a una gran variación del punto de operación con respecto al valor nominal proporcionado en el diseño ( 4mA ). 12V − 0.7V 282.5K Ω Esto puede observarse en forma grafica: I Q max = 7.2mA A esta corriente le corresponde un vCEQ min . 7.2mA Qmax vCE min = VCC − I CQ max RC vCEQ min = 1.2V I CQ min V −v = β min CC BE RB Qnom 4mA Qmin 2.4mA I CQ min = 2.4mA Correspondiéndole un vCEQ max : 1.2V 8.4V vCEQ max = 12V − 2.4mA(1500Ω) vCEQ max = 8.4V La variación de I CQ es: ∆I CQ = I max − I Q min ∆I CQ = 4.8mA Es decir: 2.4mA ≤ I CQ ≤ 7.2mA Como el punto de operación es muy inestable, este tipo de polarización se evita si queremos que le transistor funcione como amplificador. Su gran inestabilidad es aprovechada para utilizar al transistor como interruptor (electrónica digital). Por ejemplo si el transistor tuviera una β de 200 o más esta produce que el __________________________________________________________________________________________ Ing. José Manuel Glez. Rojas Notas de la Clase de Electrónica II 3 transistor se sature y actué como un interruptor cerrado entre colector y emisor: 12V − 0.7V I CQ = (200) 282.5Ω I CQ = 8mA vCEQ = 0V RC Esta configuración es utilizada cuando se quiere controlar al transistor como interruptor. RB POLARIZACIÓN POR RETROALIMENTACION DEL EMISOR. RB RC RB RC VCC RE RE Este tipo de polarización proporciona mayor estabilidad del punto de operación que la polarización fija. El efecto de la retroalimentación radica en el hecho de que si por alguna razón (incremento en β por ejemplo) I C incrementa, entonces el voltaje en RE aumenta, lo que a su ves produce decremento en la tensión de RB . Si el voltaje de RB disminuye entonces I B disminuye lo cual obliga a que I C se decremente. Se concluye que el incremento original de I C queda parcialmente balanceado. El razonamiento anterior parece bueno, pero como se demostrará en los análisis respectivos, el circuito no trabaja adecuadamente para valores prácticos de resistencia. __________________________________________________________________________________________ Ing. José Manuel Glez. Rojas Notas de la Clase de Electrónica II 4 Análisis de malla de colector: VCC = RC iC + vCE + RE iE iE ≈ iC VCC ≈ iC ( RC + RE ) + vCE iC = VCC − vCE RC + RE Ecuación de la recta de carga. ⎛ R ⎞ VCC = iE ⎜ B + RE ⎟ + vBE ⎝ β +1 ⎠ V −v iE = CC BE RB +R β +1 E β 1 iE ≈ iC además V −v ∴ iC = CC BE Recta de polarización. RB + RE β ⎧ î =0 Corte ⎨ C ⎩vCE = VCC iC depende una vez mas de β . Para que iC sea casi independiente de β: RB RE ⎧ vCE = 0 ⎪ Saturación ⎨ VCC i = C ⎪ RC + RE ⎩ β VCC − vBE RE Si esta desigualdad se cumple entonces el transistor se satura pues VCC − vBE ⎛ VCC ⎞ > ⎜ I Csat = ⎟ RE RC + RE ⎠ ⎝ para que VCC RC + RE VCC Análisis en la malla de base: VCC = RB iB + vBE + RE iE iB = iE β +1 iC ≈ Por ejemplo si RB tuviera igual a β RC entonces V −v I C = CC BE RC + RE El valor de iC se aproxima al valor de la I C de saturación, por lo que puede concluirse lo siguiente: Si RB se hace un poco menor que β RC , entonces el transistor se satura. Ejemplos: 3. Para el circuito de polarización mostrado, determinar los valores adecuados de resistencia para que se establezca la siguiente condición de polarización: I CQ = 4mA VCEQ = 6V RB RC β = 100 VCC = 12V 1 vE = VCC 10 (Se elige arbitrariamente). RE __________________________________________________________________________________________ Ing. José Manuel Glez. Rojas Notas de la Clase de Electrónica II 5 Solución: RE = VE VE ≈ I Q I CQ RE = 1.2V 4mA RB = RC = RC = I CQ = I BQ RB = β RE = 300Ω VRC VRV VCC − vCEQ − VE I CQ 12V − 6V − 1.2V 4mA =β VRV I CQ VCC − vBE − VE I CQ RB = (100) 12V − 0.7V − 1.2V 4mA RB = 252.5K Ω RC = 1.2 K Ω 4. Si el circuito del ejemplo 3, se pretende fabricar en gran escala y el tipo de transistor utilizado tiene una β min = 60 y una β max = 180 , determine la variación en la corriente de colector. Solución: I CQ min = VCC − vBE RB + RE β min I CQ min = 12V − 0.7V 252.5 K Ω + 300Ω 60 I CQ max = 6.64mA vCEQ min = 2.05V Qmax 6.64 4 I CQ min = 2.51mA 2.51 vCEQ max = VCC − I CQ min ( RC + RE ) 2.05 Qnom Qmin vCEQ max = 8.24V I CQ max = VCC − vBE RB + RE β max 6 8.4 ∆I CQ = 4.13mA VCC Problema: Que valor mínimo de β debe tener un transistor que colocado en el circuito de polarización del ejemplo 3, produzca su saturación. __________________________________________________________________________________________ Ing. José Manuel Glez. Rojas Notas de la Clase de Electrónica II 6 Solución: VCC I Csat = = 8mA RC + RE Vsat = RE I sat = 2.4V VBsat = Vsat + vBEsat VBsat = 2.4V + 0.7V = 3.1V VRBsat = VCC − VBsat I Bsat = VRBsat RB I Bsat = 35.25µ A 8mA β= 35.25µ A β = 227 Cualquier valor mayor de β a 227 produce que el transistor se sature en el circuito. VRBsat = 8.9V POLARIZACION POR RETROALIMENTACION DEL COLECTOR. RC RB Este circuito trabaja de la siguiente manera: Si β aumenta, entonces iC aumenta, provocando que vCE disminuya, esto a su vez produce un decremento en la tensión de RB . Como el voltaje de RB disminuye, la corriente de base se hace mas pequeña que le calor inicial, esto compensa el incremento en la corriente de colector. Una propiedad interesante de este tipo de polarización es que el transistor nunca se satura aun cuando RB sea igual a cero. A medida que RB va disminuyendo el punto de operación Q se desplaza hacia saturación, pero sin llegar a ella, ya que vCE nunca puede ser menor a 0.7V. La base y el colector es un mismo punto cuando RB = 0 y el transistor funciona en este caso como un diodo. __________________________________________________________________________________________ Ing. José Manuel Glez. Rojas Notas de la Clase de Electrónica II 7 Análisis en la malla de base: VCC = RE iE + RB iB + vBE Recta de carga ⎛ R ⎞ VCC = iE ⎜ RC + B ⎟ + vBE β +1⎠ ⎝ V −v Recta de polarización. iE = CC BE RB +R β +1 C VCC RC Como iE ≈ iC y β 1 V −v iC ≈ CC BE RB + RC VCC β Análisis en la malla de colector: VCC = RC iE + vCE V −v iE = CC CE RC V −v iC ≈ CC CE RC Puede notarse que V I Csat = CC RC y que cuando RB = 0 V −v I C max = CC BE RC como I C max < I Csat en transistor nunca se satura. Ejemplo: 5. Polarizar el transistor según circuito de tal modo que: I CQ = 4mA vCEQ = 6V β = 100 VCC = 12V Solución: RC = VCC − vCEQ I CQ 6V 4mA RC = 1.5K Ω RC = I CQ ≈ VCC − vBE RB + RE β Despejando para RB encontramos el valor necesario, sin embargo resulta muy sencillo utilizando ley de Ohm VR VR RB = B = β B I BQ I CQ RB = β VCC − VRC − vBE I CQ 12V − 0.6V − 0.7V RB = (100) 4mA RB = 132.5K Ω __________________________________________________________________________________________ Ing. José Manuel Glez. Rojas Notas de la Clase de Electrónica II 8 POLARIZACION POR DIVISION DE TENSION. Este tipo de polarización es la más ampliamente utilizada en circuitos lineales, por este motivo algunas veces se le conoce como polarización universal. Las resistencias R1 y R2 forman un divisor de tensión del voltaje VCC La función de esta red es facilitar la polarización necesaria para que la unión base-emisor este en la región apropiada. Este tipo de polarización es mejor que las anteriores, pues proporciona mayor estabilidad del punto de operación con respecto de cambios en β . R2 RC R2 RC R1 RE VCC R1 RE Análisis en la malla de base: En la terminal de base existen dos mallas por lo que se empleara el teorema de Thévenin para simplificar a una sola malla, como se ve en la siguiente figura: RC RB RE iE β +1 ⎛ R ⎞ VBB = iE ⎜ B + RE ⎟ + vBE ⎝ β +1 ⎠ V −v iE = BB BE RB +R β +1 E iB = Como iC ≈ iE y β 1 entonces: V −v iC = BB BE RB + RE β VBB donde RB = R1 & R2 R1 VBB = VCC y R1 + R2 A temperatura ambiente iC depende únicamente de β . Si queremos que iC sea casi independiente de β es necesario que RB Al aplicar LVK en la malla de base: VBB = RB iB + vBE + RE iE β RE __________________________________________________________________________________________ Ing. José Manuel Glez. Rojas Notas de la Clase de Electrónica II 9 VBB − vBE RE R por ejemplo si (100) B = RE para que iC ≈ β o lo que es lo 1 V −v β RE resulta que iC = BB BE 100 (1.01) RE lo cual se aproxima a la corriente deseada V −v iC = BB BE RE mismo RB = El precio que se paga por tener esta estabilidad es tener valores de RB demasiado bajos ya que 1 RB = β RE . Valores bajos de RB son 100 inconvenientes cuando el circuito de polarización forma parte de mi amplificador como se vera mas adelante. 1 β RE 10 haciendo con esto que la corriente de colector V −v sea iC = BB BE (1.1) RE Por el momento bastara con que RB = VCC RC m=− 1 RC + RE V es La corriente de colector en saturación VCC I Csat = y puede notarse que si RB = 0 RC + RE entonces V −v I C = BB BE RE este valor de corriente nunca satura al transistor. CC Esto asegura que el transistor queda bien polarizado, con una corriente de emisor constante y que el punto de operación no cambiara de manera significativa si se sustituye el transistor por otro con una β distinta. Análisis en la malla de colector: LVK VCC = RC iC + vCE + RE iE ∗ 1 como iC ≈ iE y β 1 iC = VCC − vCE RC + RE ∗ Verse análisis en malla de colector en polarización por retroalimentación del emisor. 1 __________________________________________________________________________________________ Ing. José Manuel Glez. Rojas Notas de la Clase de Electrónica II 10 Ejemplo: 6. Polarizar un transistor mediante la técnica de polarización por división de tensión de acuerdo con los siguientes datos: VCC = 12V I CQ = 4mA 1 VCC 10 1 RB = β RE 10 40 ≤ β ≤ 180 VE = 1 (Punto de operación a la mitad de la recta de carga, es decir: VCEQ = VCC ) 2 Solución: R1 VCC R1 + R2 RR RB = 1 2 R1 + R2 VBB = RC R2 R1 RE RE = VE I EQ Multiplicando la primera ecuación por R2 , tenemos RR VBB R2 = 1 2 VCC R1 + R2 o lo que es lo mismo VBB R2 = RBVCC V R2 = CC RB VBB V RE ≈ E I CQ RE = 300Ω RC = VRC I CQ = VCC − vCEQ − VE I CQ RC = 1.2 K Ω como RB β RE la peor condición se cumple cuando β es mínima ∴ RB = RB = 1.2 K Ω 1 β min RE 10 El voltaje VBB necesario es ⎛R ⎞ VBB = I CQ ⎜ B + RE ⎟ + vBE ⎝ β ⎠ VBB = 2.02V Para determinar R1 y R2 tenemos el siguiente sistema de ecuaciones con dos incógnitas R2 = 7.13K Ω Para encontrar R1 , partimos de hecho de que 1 1 1 = + RB R1 R2 1 1 1 = − R1 RB R2 V 1 1 = − BB R1 RB VCC RB 1 VCC − VBB = R1 VCC RB V R R1 = CC B VCC − VBB __________________________________________________________________________________________ Ing. José Manuel Glez. Rojas Notas de la Clase de Electrónica II 11 R1 = RB V 1 − BB VCC Con esto el transistor queda bien polarizado para I CQ = 4mA y vCE = 6V además varia muy poco, para cuando β varié en todo su intervalo. R1 = 1.44 K Ω Ejemplo: 7. Determinar la variación de I CQ para el diseño del ejemplo 6 si β cambia en todo su intervalo de variación. Solución: I CQ = 4mA cuando β = 40 para β = 180 , tenemos: V −v iC = BB BE RB + RE β I CQ = 4.3mA ∴ ∆I CQ = I CQ max − I CQ min ∆I CQ = 0.3mA Con lo cual se demuestra que el punto de operación es bastante estable. __________________________________________________________________________________________ Ing. José Manuel Glez. Rojas Notas de la Clase de Electrónica II 12