Transcript Polarización de BJT

Polarización
Electrónica I
Contenido
Punto de operación
Polarización fija
Circuito estabilizado en emisor
Polarización por divisor de voltaje
Polarización por retroalimentación de voltaje
Otras configuraciones
Diseño
Conmutación
Transistores pnp
Estabilización de la polarización
Punto de operación
Polarización fija
Aplicando LKV a la malla de
base:
VCC – IBRb – VBE = 0
VCC - VBE
IB 
Rb
IC
+
IB
+
Se cumple que IC = bIB
VCE = VCC – ICRc
VBE -
VCE
-
Ejemplo
Sea b = 50 y Vcc = 12 V
Tomamos VBE = 0.7 V
IB = (12 – 0.7)/240k = 47 mA
IC = 50IB = 2.35 mA
VCE = 12 – (2.35mA)(2.2k)
= 6.82 V
VBC = VB – VC = 0.7 – 6.82
= 6.12 V
Saturación
La corriente de saturación la encontramos cuando suponemos un
corto entre colector y emisor.
La corriente es:
I Csat
VCC

RC
Análisis de recta de carga
Recta de carga para polarización fija.
Para trazar la recta de
carga una los puntos
VCC/RC sobre el eje de
corriente (IC) y VCC
en el eje de voltaje
(VCE),
Variación del punto Q
Variación debida al incremento a la corriente de base.
Variación de la recta debido a la disminución de la resistencia de
colector IC.
Variación de la recta debido a la disminución del voltaje de
colector VCC.
Ejemplo
Encontrar VCC, RB e RC.
Circuito de polarización
estabilizado en emisor
La mejora de la estabilización se logra
agregando una resistencia en el
emisor.
IB 
VCC - VBE
RB  b  1RE
La resistencia de entrada es Ri
dada por
Ri = RB + (b + 1) RE
IC
+
IB
+
VBE -
VCE
-
En la malla de colector-emisor
tenemos:
VCE = VCC – IC(RC + RE)
La corriente de saturación es
IC = VCC/(RC + RE)
IC
+
VCE
-
IE
Ejemplo
Encontrar:
IB, IC, VCE, VC, VE,
VBC, VB
Análisis de estabilidad
Polarización fija
Beta
Ib(mA)
Ic(mA)
Vce(V)
50
47.1
2.4
6.8
100
47.1
4.7
1.6
0%
100%
-76%
Cambio
Polarización de emisor
Beta
Cambio
Ib(mA)
Ic(mA)
Vce(V)
50
40.1
2.0
14.0
100
36.3
3.6
9.1
-9%
81%
-35%
Saturación
La corriente de saturación la encontramos cuando suponemos un
corto entre colector y emisor.
La corriente es:
I Csat
VCC

RC  RE
Análisis de recta de carga
Recta de carga para polarización de emisor.
Para trazar la recta de
carga una los puntos
VCC/(RC + RE) sobre
el eje de corriente (IC)
y VCC en el eje de
voltaje (VCE),
Circuito de polarización por divisor
de voltaje
La polarización se logra utilizando un
divisor de voltaje en el circuito de
base.
IC
+
IB
+
VBE -
VCE
-
Análisis exacto
El análisis del circuito de entrada se realiza sustituyendo el
circuito de entrada por su equivalente de Thevenin.
Rth  R1 R2
R2VCC
Vth 
R1  R2
Vth - VBE
IB 
Rth  b  1RE
VCE = VCC – IC(RC + RE)
Ejemplo
Encontrar VCE e IC en la siguiente red.
Análisis aproximado
Si el valor de bRE > 10R2, se puede suponer IB = 0, además
R2VCC
VB 
R1  R2
IC  I E
VE  VB - VBE
VE
IE 
RE
VCE  VCC - I C RC  RE 
La fórmula de corriente de saturación y la recta de carga es igual
que para la polarización por emisor.
Ejemplo
Encontrar VCE e IC en la siguiente red usando las fórmulas
aproximadas.
Ejercicio
Encuentre el punto Q con las fórmulas exactas y aproximadas y
compare resultados.
Polarización por retroalimentación
de voltaje
Si suponemos que IC’ = IC = bIB, llegamos a
VCC - VBE
IB 
RB  b RC  RE 
En general
V'
IB 
RB  bR'
R’ = 0 polarización fija
R’ = RE polarización en emisor
R’ = (RC + RE) retroalimentación de colector
VCE es la misma que para emisor y divisor.
IC’
+ IC
IB
+
VBE -
VCE
IE
Ejemplo
Encontrar el punto Q. Repita para b = 135
IC = 1.07 mA
VCE = 3.69 V
IC = 1.2 mA
VCE = 2.92 V
Ejemplo
Encontrar IB y VC.
IB = 35.5 mA
VC = 9.22 V
Otras configuraciones
Encontrar IC, VCE, VB, VC, VE y VBC.
IC = 1.86 mA
VCE = 11.26 V
VB = 0.7 V
VC = 11.26 V
VE = 0 V
VBC = -10.56 V
Encontrar VB y VC
VC = -4.48 V
VB = -8.3 V
Seguidor emisor. Encontrar VCE y IE
IE = 4.16 mA
VCE = 11.68 V
Base común. Encontrar VCE y IB
IB = 45.8 mA
VC = 3.4 V
Encontrar VC y VB
VB = -11.59 V
VC = 8.53 V
Diseño
En el proceso de diseño se trata de determinar los valores de
las componentes necesarias para lograr un cierto punto de
operación, es decir, un conjunto de valores de voltajes y
corrientes.
Ejemplo
Determinar VCC, RB y RC para la siguiente red. Encontrar los
valores estándar.
VCC = 20 V RB = 482.5 kOhms RC = 2.5 kOhms
Ejemplo
Si IC = 2 mA, VCE = 10 V determinar R1 y RC para la siguiente
red. Encontrar los valores estándar.
R1 = 86.52 kOhms RC = 2.8 kOhms
Ejemplo
Si ICQ = ½ ICsat, ICsat = 8 mA, determinar RE, RB y RC para la
siguiente red. Encontrar los valores estándar.
RE = 1 kOhms RC = 2.2 kOhms RB = 639.8 kOhms
Ejemplo de diseño completo
Para poder encontrar los valores de las resistencias, debemos hacer
una elección de ingeniería. Como por ejemplo suponer que VE es
un décimo de VCC.
RE = 2 kOhms
RC = 4 kOhms
RB = 1,3 MOhms
Ejemplo de divisor
Para poder encontrar los valores de las resistencias, debemos hacer
una elección de ingeniería. Como por ejemplo suponer que VE es
un décimo de VCC. Suponga también que bRE>=10R2 y calcule VB.
RE = 200 Ohms
RC = 1 kOhms
R1 = 10.25 kOhms
R2 = 1.6 kOhms
Conmutación
En el diseño de una red de conmutación se debe asegurar que el
transistor trabaje entre corte y saturación.
El estado de corte se asegura con un voltaje de entrada igual a
cero.
La saturación se logra con una corriente de base lo
suficientemente grande para que IB > ICsat/b.
Ejemplo
I Csat 
VCC
RC
I B  50mA
El transistor como interruptor
El transistor puede usarse como un interruptor haciéndolo
trabajar entre corte y saturación.
Interruptor cerrado:
transistor en saturación.
Interruptor abierto:
transistor en corte.
Tiempos de encendido y apagado
td (delay time)= Es el que transcurre desde el instante en que se
aplica la señal de entrada al dispositivo conmutador, hasta que la
señal de salida alcanza el 10% de su valor final.
tr (rise time) = Tiempo que emplea la señal de salida para
evolucionar desde el 10% hasta el 90% de su valor final.
ts (storage time) = Tiempo que transcurre desde que se quita la
excitación de entrada y el instante en que la señal de salida baja al
90% de su valor inicial.
tf (fall time) = Tiempo que emplea la señal de salida para
evolucionar desde el 90% hasta el 10% de su valor inicial.
tencendido = tr + td,
tapagado = ts + tf
Transistores pnp
Todo lo dicho para transistores npn es válido para transistores pnp.
Las únicas diferencias es la polaridad de las fuentes y el sentido de
las corrientes en las diferentes configuraciones estudiadas.
ejemplo
Encuentre VCE (-10.16 V).
Estabilización de la polarización
La corriente de colector IC es sensible a los siguientes factores:
b – Se incrementa al aumentar la temperatura
|VBE| - decrece 7.5 mV por grado centígrado
ICO – se duplica cada 10 grados centígrados
Cambio del punto Q
Factores de estabilidad
Se definen los siguientes factores de estabilidad. El valor
pequeño indica un circuito estable y un valor grande indica un
circuito inestable.
I C
S I CO  
I CO
I C
S VBE  
VBE
I C
S b  
b
S(ICO) polarización de emisor
El análisis de la red da el siguiente valor para S(ICO)
1  RB RE
S I CO   b  1
b  1  RB RE
Si RB/RE >> (b+1) se
simplifica a
S I CO   b  1
Ejemplo
Encontrar la estabilidad y el cambio en IC si ICO = 19.9 nA para
RB/RE = a) 250, b) 10 y c) 0.01
S(ICO) polarización fija
Multiplicando el numerador y el denominador de la expresión de
estabilidad de polarización de emisor por RE y haciendo RE = 0 se
obtiene
S I CO   b  1
Como puede verse la polarización fija tiene un factor de estabilidad
muy pobre.
S(ICO) polarización por divisor
El análisis de la red da el siguiente valor para S(ICO)
S I CO   b  1
1  Rth RE
b  1  Rth RE
Para mantener la estabilidad en valores adecuados es necesario
mantener Rth/RE lo más pequeña posible.
S(ICO) polarización por
retroalimentación
El análisis de la red da el siguiente valor para S(ICO)
S I CO   b  1
1  RB RC
b  1  RB RC
Para mantener la estabilidad en valores adecuados es necesario
mantener RB/RC lo más pequeña posible.
Efecto de IB en la estabilidad
S(VBE)
El análisis de la red da el siguiente valor para S(VBE)
-b
S VBE  
RB  b  1RE
Para polarización fija se simplifica a
S VBE  
-b
RB
Si (1 + b) >> RB/RE, se puede simplificar la primera expresión a
S VBE  
- b / RE
1
RB / RE  b  1
RE
Ejemplo
Determine en factor de stabilidad S(VBE) y el cambio en IC desde
25ºC hasta 100ºC con ICO = -0.17 mV
a) Polarización fija RB = 240 kOhm y b = 100
b) Polarización en emisor RB = 240 kOhm, RE = 1 kOhm y b = 100
c) Polarización en emisor RB = 47 kOhm, RE = 4.7 kOhm y b = 100