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Componentes básicos - Transistor de unión bipolar

El transistor de unión bipolar es un componente que controla la corriente mediante corriente.

Diferenciación de polaridad

Aparte de la base, el terminal con una flecha es el emisor y el que no la tiene es el colector. Si la flecha apunta hacia afuera, es NPN; si apunta hacia adentro, es PNP.

Identificación de pines de diferentes encapsulados

Relaciones básicas de corriente

La dirección de la corriente del transistor depende de la dirección de la corriente del emisor.

  • NPN: la corriente sale del emisor, por lo que tanto la base como el colector tienen corriente de entrada.
  • PNP: la corriente entra al emisor, por lo que tanto la base como el colector tienen corriente de salida.

Reglas:

  1. Cumple la ley de corrientes de Kirchhoff: \(i_B + i_C = i_E\)
  2. En estado de amplificación, la corriente del colector solo depende de la corriente de la base (\(i_C = \beta i_B\)), no de la tensión entre el colector y el emisor.
  3. Cuando la base y el emisor están en conducción, la caída de tensión \(U_{BE}\) es aproximadamente 0.7V.

Por lo tanto, el transistor es una fuente de corriente controlada, donde una corriente pequeña \(i_B\) controla una corriente grande \(i_C\), dependiendo de la ganancia de amplificación constante del transistor \(\beta\).

Entonces, \(i_E=(1+\beta)i_B = \frac{1+\beta}{\beta}·i_C\)

Características de voltaje y corriente de salida

Como se muestra en la imagen, las características de voltaje y corriente de salida del transistor se dividen en las siguientes regiones:

  • Región de amplificación: en esta región, la corriente \(i_C\) del transistor apenas varía con \(u_{CE}\) y se aproxima a \(i_C = \beta i_B\).
  • Región de saturación: en esta región, la corriente \(i_C\) del transistor aumenta a medida que \(u_{CE}\) aumenta. Generalmente, se considera que el transistor está en la región de saturación cuando \(u_{CE}\) es menor que la caída de tensión de saturación \(U_{CES}\) (generalmente 0.3 V).
  • Región de corte: es la curva donde \(I_B = 0\). Sin embargo, en este punto \(i_C\) no es 0, ya que existe una corriente de fuga relacionada con \(u_{CE}\). La región de corte representa el estado en el que el transistor tiene casi ninguna corriente entrando o saliendo, y se aproxima a estar completamente cerrado.

Si queremos describir las características de voltaje y corriente con una fórmula matemática, debemos simplificar la curva:

Simplificándola, podemos decir lo siguiente:

  • Región de amplificación: cumple \(i_C = \beta i_B\), independiente de \(u_{CE}\).
  • Región de saturación: la corriente \(i_C\) aumenta a medida que \(u_{CE}\) aumenta, aproximadamente de forma lineal.
  • Línea vertical \(U_{CES}\): separa la región de saturación de la región de amplificación.

Circuito amplificador acoplado por resistencia y capacitancia

Estados de funcionamiento del transistor

  • 截止状态
    • Se refiere a cuando la base no genera una corriente significativa (\(I_{BQ}\) es muy pequeño, lo que hace que \(I_{CQ}\) también sea muy pequeño), lo que equivale a un circuito abierto entre el colector y el emisor.
    • \(I_{BQ} = 0, I_{CQ} = 0, I_{EQ} = I_{BQ}+I_{CQ}=0\). Polarización inversa/cero en la unión emisor/base, polarización inversa en la unión colector/base.
  • Estado de amplificación
    • Se refiere al transistor cuando \(I_{BQ}\) es adecuado y cumple con la ecuación \(I_{CQ} = \beta I_{BQ},I_{EQ} = (1+ \beta)I_{BQ}, I_{BQ} = \frac{V_{CC}-U_{BE}}{R_B}\)
    • Polarización directa en la unión emisor/base, polarización inversa en la unión colector/base.
    • Este es el estado más comúnmente utilizado en electrónica analógica.
  • Estado de saturación
    • \(I_{CQ} < \beta I_{BQ}\), pero aún varía con \(U_{CEQ}\). Tanto \(I_{BQ}\) como \(I_{CQ}\) son grandes, \(I_{CQ}\) ya no está completamente controlado por \(I_{BQ}\) y el voltaje \(U_{CEQ}\) es muy pequeño.
    • Siempre que \(U_{CEQ} < U_{CES}\), se entra en el estado de saturación. En este estado, aumentar \(I_{BQ}\) apenas aumenta \(I_{CQ}\).
    • Polarización directa en la unión emisor/base, polarización directa en la unión colector/base.
    • En electrónica analógica se debe evitar entrar en el estado de saturación, mientras que en electrónica digital se espera entrar en el estado de saturación o corte.
  • Estado de inversión
    • El colector y el emisor están invertidos. Aunque se puede utilizar, puede causar una disminución significativa en \(\beta\).
    • El estado de saturación es como abrir un grifo de agua, pero no hay agua en el tanque, por lo que solo se obtiene la cantidad de agua que entra.
    • Polarización inversa en la unión emisor/base, polarización directa en la unión colector/base.

Hay tres métodos para determinar el estado de funcionamiento del transistor: el método de estimación, el método de solución de ecuaciones y el método gráfico. El método de estimación se basa en suponer que \(U_{BEQ}\) es aproximadamente igual a 0.7 V, pero con un margen de error (el error es menor a medida que el voltaje es mayor); el método de solución de ecuaciones requiere conocer la expresión matemática de las características de voltaje y corriente de entrada y salida, y se utiliza menos comúnmente; el método gráfico se basa en encontrar el punto de operación estática mediante la intersección de la curva de características de voltaje y corriente con otra línea recta, y luego se determina visualmente el resultado.

Principales parámetros del transistor

  • Factor de amplificación de corriente \(\beta\): generalmente es de 10-100 veces, pero se recomienda utilizar 30-80 veces en aplicaciones (demasiado pequeño no amplifica lo suficiente, demasiado grande es inestable).
  • Corriente máxima permitida en el colector \(I_{CM}\): superar este valor puede causar daños.
  • Potencia máxima permitida en el colector \(P_{CM}\)
  • Voltaje de ruptura inversa entre el colector y el emisor \(V_{CEO}\)

Determinación del estado de funcionamiento del transistor

Método de estimación

En el apartado "Estimación del punto de operación estática", se estima aproximadamente la operación estática del circuito del transistor (corrientes en cada rama, potenciales en cada nodo) asumiendo que \(U_{BEQ}\) es aproximadamente igual a 0.7 V (generalmente se calcula \(I_{CQ}\) y \(U_{CEQ}\)). Los pasos específicos son los siguientes:

  1. Calcular \(I_{BQ}\) basado en \(U_{BEQ} = 0.7 V\).
  2. Suponer que el transistor está en estado de amplificación, es decir, \(I_{CQ} = \beta I_{BQ}\), y resolver para \(U_{CEQ}\).
  3. Si \(U_{CEQ} >= 0.3 V\), entonces la suposición es válida y el transistor está en estado de amplificación, y se obtienen los valores de \(I_{CQ}\) y \(U_{CEQ}\).
  4. Si \(U_{CEQ} < 0.3 V\), entonces la suposición no es válida y el transistor está en estado de saturación.

Método gráfico

El método gráfico consiste en utilizar la curva de características de voltaje y corriente junto con la intersección de otra línea recta para determinar la posición del punto de operación estática, y luego se determina visualmente el resultado.

Circuito amplificador básico

En el diagrama, las funciones de cada parte son las siguientes:

  • \(C_1\)/\(C_2\): Acoplo de CA y bloqueo de CC. Eliminan la influencia de \(U_{CC}\). Los valores típicos son de unos pocos microfaradios a varias decenas de microfaradios.
  • \(U_{CC}\): Proporciona la funcionalidad del circuito; proporciona un punto de operación estático adecuado.
  • \(R_B\): Proporciona una corriente \(I_B\) adecuada. Los valores típicos son de varias decenas de ohmios a varios cientos de kiloohmios.
  • \(R_C\): Los valores típicos son de varios kiloohmios a varias decenas de kiloohmios.

Análisis:

  • Voltaje total de la base-emisor \(U_{BE} = U_{BEQ}+u_i\)
  • Corriente total de la base \(i_B=I_{BQ}+i_b\)
  • Corriente total del colector \(i_C=I_{CQ}+i_c\)
  • Voltaje total del colector-emisor \(u_CE=V_{CC}-{i_C}{R_C}=V_{CC}-(I_{CQ}+i_c)R=U_{CEQ}+({-i_C}{R_C})\)

La deficiencia de este circuito es que, aunque su estructura es simple, el punto de operación estático no es estable y está sujeto a una gran influencia de los componentes individuales.

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