El transistor como interruptor

El transistor como interruptor

La acción de conmutación del transistor Q1 de la figura 30-1, muestra como l corriente de entrada controla la salida. Nótense las siguientes características importantes de operación:

Normalmente el transistor está apagado; ninguna corriente circula en la salida, a menos que se aplique un voltaje con polarización directa en el circuito base emisor.

El voltaje con polarización directa controla la corriente de base y así determina la magnitud de la corriente de salida.

En la figura 30-1, el circuito de control de entrada determina la magnitud de la corriente de base. Para el circuito de potencia, la salida es la corriente en el colector. El transistor Q1 de la figura 30-1 es de tipo NPN. Este tipo de transistores requieren un voltaje positivo VBE como voltaje de polarización directa. El emisor es común al circuito de la entrada y al de la salida. El arreglo de transistores utilizando con mayor frecuencia es el circuito de emisor-común. La unión base-emisor del transistor Q1 de la figura 30-1 se puede polarizar en forma directa con la batería B1. Para aplicar un voltaje de polarización directa, el interruptor S1 debe estar cerrado. La batería B2 proporciona el voltaje de polarización inversa para el colector de Q1. Polarizar en forma inversa para el colector de Q1. Polarizar en forma inversa implica que el colector N tiene un voltaje más positivo que el de la base. Cuando el interruptor S1 está abierto, no circula corriente en el circuito base-emisor ni en el control. Esto se debe a que no se ha aplicado un voltaje de polarización directa. Por consiguiente, la resistencia entre el emisor y el colector del transistor de la figura 30-1 es muy grande. Por el circuito de potencia tampoco circula corriente y, por tanto, el foco no enciende. Supóngase que el interruptor S1 se cierra. Esto causa una corriente pequeña que circula por el circuito de control. Por consiguiente, la resistencia entre el emisor y el colector del transistor disminuye. En consecuencia, circula una corriente grande en el circuito de potencia, y el foco enciende. Finalmente, al abrir el interruptor S1 del circuito de control, el foco que está en el circuito de potencia se apaga. Esto se debe a que la resistencia entre el emisor (E) y el colector (C) de Q1 tiene de nuevo un valor muy grande que tiende a infinito. En resumen, una corriente pequeña en el circuito de control provoca que circule una corriente grande en el circuito de potencia. Cuando no circula corriente en el circuito de control, el transistor actúa como un interruptor abierto. Cuando circula corriente por el circuito de control, el transistor se comporta como un interruptor cerrado.

En la figura 30-2 se ha dibujado de nuevo el circuito donde el transistor se emplea como interruptor. Con el fin de simplificar los cálculos, foco de la figura 30-1 se ha sustituido por una resistencia R2 y de 100Ω. También se ha omitido el interruptor de botón, y la fuente de alimentación B1 se ha sustituido por una de voltaje variable (Fig. 30-2a). El diagrama de la figura 30-2a muestra los valores medidos de los voltajes y la corriente de fuga de solo 1μA del emisor hacia el colector. La resistencia entre E y C es

R = = = 9 MΩ

Por tanto, el transistor tiene una resistencia igual a 9MΩ, lo que lo convierte prácticamente en un interruptor abierto. El diagrama de la figura 30-2b muestra los valores medidos de los voltajes y corrientes cuando el transistor esta “encendido”. El voltaje entre el emisor y la base se ha incrementado ajustando B1. El valor de 0.86V del voltaje polariza en forma directa la unión base

emisor del transistor, lo cual permite que circule una corriente de 1.8 mA en el circuito de control. A su vez esta corriente causa que la resistencia entre el emisor y el colector disminuya. La reducción en el valor de esta resistencia ocasiona que circule una corriente de 85 mA por el colector del transistor. La resistencia entre E y C en la figura 30-2 es

R = = = 4.7Ω

La resistencia entre E y C ha disminuido de 0 MΩ A 4.7Ω. Como consecuencia de lo anterior, el transistor de la figura 30-2b se comporta como un interruptor cerrado. Se dice que el transistor de la figura 30-2a está en corte. Ha alcanzado su resistencia máxima entre colector y emisor y ha cortado la corriente. La escasa corriente que aun fluye debe a los portadores minoritarios de carga en el transistor y se considera como una corriente de fuga. El transistor de la figura 30-2b está en saturación. La resistencia entre el emisor y el colector ha llegado a su valor mínimo, lo que produce una corriente de colector máxima. Cuando el transistor se utiliza como interruptor, opera en saturación (o en corte), gracias al voltaje base-emisor.

El transistor como amplificador

Considérese el circuito mostrado en la figura 30-3. En la figura 30-3a se indican los voltajes de operación de cd, sin la presencia de alguna señal de entrada. Los valores de los voltajes de polarización de cd dependen del valor de la resistencia de retroalimentación R2. El transistor NPN se polariza de manera que el voltaje colector emisor Vc se igual a la mitad del voltaje de alimentación. Por consiguiente, para un voltaje de alimentación de 10 V, el voltaje de colector se fija en + 5V el voltaje de 0.7V aplicado en la base permite que el transistor conduzca parcialmente. Cuando esta condición de encendido parcial se alcanza, el transistor actúa como amplificador. La magnitud del voltaje de polarización es la que determina el nivel de operación del transistor. En la figura 30-3b se ha añadido al amplificador una señal de entrada. Esta señal esta acoplada con la base por medio del capacitor C1. La señal ya amplificada se toma del colector. La amplitud pico-pico de la señal de entrada, medida en un osciloscopio, es de 0.02V, mientras que la amplitud de la señal de salida es de 3 V p-p. Por consiguiente, la ganancia en voltaje de ca para el amplificador es:

AV = = = 150

La señal de salida (3 V p-p) es 150 veces mayor que la señal de entrada (0.02 V p-p). Se dice que esta etapa de amplificación tiene una ganancia de voltaje igual a 150. Considérese una señal de entrada positiva (+) en la base del transistor de la figura 30-3b. El voltaje de polarización directa de la unión base-emisor de Q1 se vuelve más grande e induce una corriente de base mayor, que provoca que la resistencia entre el emisor y el colector del transistor disminuya. En consecuencia. Vc disminuye a 3.5V, como lo indica la onda para la señal de salida en el extremo derecho de la figura 30-3b. Además, se observa que el voltaje de salida realiza una excursión negativa cuando el voltaje de salida realiza una excursión negativa cuando el voltaje de entrada es positivo. Ahora, considérese una señal de entrada negativa (-) en la base del transistor de la figura 30-3b. El voltaje de polarización directa de la unión base-emisor disminuye, lo que causa una corriente de base menor. Esto a su vez provoca que la resistencia entre E y C del transistor aumente. De esta forma, Vc se incrementa hasta un nivel de 6.5V, como se muestra en el extremo derecho de la figura 30-

3b. En este caso, el voltaje de salida corre en una dirección positiva cuando el voltaje de entrada es negativo. En resumen, para que el transistor funcione como amplificador, debe polarizarse entre las regiones de corte y saturación. Las señales de entrada y salida en un amplificador CE están desfasadas 180°. Esto es, cuando la entrada es positiva, la salida es negativa, y viceversa. La ganancia de voltaje del amplificador de la figura 30-3 es de 150.

Circuitos amplificadores con transistores

Dado que los transistores PNP O NPN tienen solo tres electrodos (terminales), uno de ellos debe ser la terminal común para las señales de entrada y salida. En la figura 30-4a se muestra el caso general de tres electrodos, donde uno de ellos es común. Específicamente, las tres configuraciones posibles para circuitos amplificadores son: base común (CB), como en la figura 30-4b: emisor común (CE), como en la figura 30-4c y colector común (CC) como en la figura 30-4d. Todos los circuitos de la figura son para transistores NPN, pero la clasificación es la misma (con polaridades invertidas) para transistores PNP. Aunque el electrodo común aparece conectado a tierra, no es necesario que esté conectado a la tierra de chasis. En la tabla 30-1 se proporcionan las principales características de estas tres configuraciones. En todas las configuraciones para circuitos amplificadores, el colector requiere un voltaje de polarización inversa, mientras que la unión base-emisor necesita un voltaje de polarización directa. Este voltaje de polarización se indica como VBE o VEB y la corriente correspondiente recibe el nombre de corriente de polarización. La polarización fija los valores promedio de Cd en un amplificador. De esta forma, la señal de ca varía alrededor del nivel de polarización. La configuración de emisor-común es la más utilizada en amplificadores con transistores porque es la que tiene la mayor ganancia cuando se conectan varias etapas en cascada. Sin embargo, cada configuración tiene sus propias características.

Configuración de base común (CB) En la figura 30-4b, el voltaje de entrada se aplica en el emisor con respecto a la base conectada a tierra. La salida, que es la señal ya amplificada, se toma del colector. La resistencia RL está conectada en serie con el voltaje de alimentación VCC del colector. La terminal positiva de VCC proporciona el voltaje con polarización inversa para el colector, que en este caso es de tipo N. En la configuración CB, la resistencia ri de entrada al emisor es baja porque IE es grande. La resistencia de salida ro del colector es alta. Los valores

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