Transistor en Emisor Común polarizado con 2 fuentes tensión

1. Transistor en Emisor Común polarizado con 2 fuentes de tensión

2. Polarizar un transistor consiste en conectarle resistencias y fuentes de tensión de valores adecuados para que opere en el punto que nos interesa. En este caso de configuración en Emisor común, la unión Base - Emisor está polarizada de forma directa y el Colector de forma inversa mediante 2 fuentes de tensión diferentes y 2 resistencias. VCC: Fuente de tensión del Colector RC: Resistencia de Colector IC: Corriente de Colector IE: Corriente de Emisor VCE: Tensión Colector – Emisor VBB: Fuente de tensión de la Base RB: Resistencia de Base IB: Corriente de Base VBE: Tensión Base – Emisor VCB: Tensión Colector - Base IC C + VCB + _ N VCE P + + N B IB _ _ _ VBE + E _ C: Colector B: Base E: Emisor IE N: Cristal semiconductor negativo P: Cristal semiconductor positivo El signo + indica dónde hay más tensión y el signo – indica dónde es menor la tensión. Las flechas naranjas únicamente indican la dirección de menor a mayor tensión. Recordamos que la configuración de Emisor Común es aquella en la que el Emisor es común tanto para la entrada como para la salida del transistor.

3. Elegimos como ejemplo el transistor BC 107 con empaquetado metálico TO - 18, dispositivo NPN de uso general, para que funcione en la forma que nos interese polarizándolo adecuadamente.

4. La familia de transistores del BC 107 tiene las siguientes curvas de entrada y de salida para la configuración de Emisor Común, obtenidas de las hojas de características técnicas ofrecidas por el fabricante: Curvas de salida del BC 107, BC 108 y BC 109 Curva de entrada del BC 107 para una VCE de 5 v

5. De las hojas de características técnicas ofrecidas por el fabricante, también se puede saber cómo varía la ganancia de corriente (hFE) al variar lacorriente de Colector (IC). Así que por ejemplo, a 25ºC y en una configuración de Emisor Común, cuando la corriente de Colector (IC) cambia desde 1 hasta 10 mA, la ganancia de corriente (hFE) cambia desde un valor de 250 hasta 320 aproximadamente.

6. Por ejemplo, queremos que el BC 107 trabaje en un punto en el que VCE sea = 13 v e IC = 1,5 mA. Dicho punto se encuentra fuera de los valores ofrecidos por el fabricante en sus curvas de entrada y de salida. Así que vamos a representar dichas curvas mediante las ecuaciones derivadas de las ecuaciones de Ebers y Mollincluyendo el punto que nos interesa. Para la curva de entrada utilizaremos la ecuación: En la que IS = 1,8 x 10-14 , βF = 250 y VT = 0,025 v. Quedando: Para representar la curva en Geogebra. VBE VT IS e IB = βF

7. Para las curvas de salida, la ecuación: En la que VA es = 80 . AβR le damos el valor 0,0101 y a αR0,01. Quedando para representar las curvas en Geogebra: En dónde hemos empezado a dar el valor de 175 a βF para un valor de IB = 0 , 250 para IB= 1µA , 290 para IB = 2µA , 300 para IB = 3µA , 305 para IB = 4µA , 310 para IB = 5µA , 315 para IB = 6µA y 320 para IB = 7µA , 8µA , 9µA y 10 µA; con el fin de acercarnos lo más posible a las curvas de salida ofrecidas por el fabricante en las hojas de características técnicas. - VCE VT 1 1 - e αR VCE IC IB = βF 1 + VA - VCE VT βF e + 1 βR IB

8. IB IB IC (A) IB = 10 µA IB = 9 µA IB = 8 µA IB = 7 µA IB = 6 µA IB = 5 µA IB = 4 µA IB = 3 µA IB = 2 µA IB = 1 µA IB = 0 µA 10 µA 9 µA 8 µA 7 µA 6 µA 5 µA 4 µA 3 µA 2 µA 1 µA 0 µA Punto de operación elegido 4,2 µA 1,5 mA ● VBE (v) 0,621 v 13 v VCE (v) Representación gráfica del punto de funcionamiento del transistor elegido sobre las curvas de entrada y de salida ofrecidas por el fabricante en las hojas de características técnicas. Supone una Ganancia de corriente (hFE, βF) con un valor de más de 300 en ese punto.

9. Así, nos quedaría que para un punto de operación del transistor BC 107 de VCE = 13 v e IC = 1,5 mA, que es el punto que nos interesa, necesitaremos aproximadamente una IB de 4,2 µA que a su vez nos da una VBE = 0,621 voltios. IC = 1,5 mA VCB VCE= 13 v IB = 4,2 µA VBE = 0,621 v IE Nos faltaría determinar VCC, VBB, RC y RB para polarizar adecuadamente al BC 107 y que funcione en el punto elegido.

10. Para VCC elegiremos un valor mayor que los 13 voltios de VCE , por ejemplo 2 baterías de 9 v dispuestas en serie; 18 voltios en total. Para VBB con una pila de 1,5 v es suficiente. Positivo Negativo _ + 1,5 v 9 v

11. Ahora ya sólo tenemos que calcular el valor de las resistencias RB y RC. Podemos aplicar la ley de las tensiones de Kirchhoff tanto para la malla de la Base como para la del Colector: En la malla de la Base : VBB – (IB x RB) – VBE = 0 En la malla del Colector : VCC – (IC x RC) – VCE = 0 De 1,5 v – (4,2 µA x RB) – 0,621 v = 0 , obtenemos que RB = 209285 Ω De 18 v – (1,5 mA x RC) – 13 v = 0 , obtenemos que RC = 3333 Ω IC = 1,5 mA VCB VCE= 13 v Malla del Colector IB = 4,2 µA VBE = 0,621 v 18 v Malla de la Base 1,5 v IE

12. Si realizamos el montaje en el simulador, obtenemos las siguientes corrientes, que aunque un poco por debajo de los valores necesitados quedan bastante cercanos a ellos. Fijarse en las polaridades tanto de las pilas como de los multímetros. Los signos +indican dónde es mayor la tensión, mientras que los signos – indican dónde la tensión es menor. IC IB + + _ _

13. Parecido ocurre con las tensiones, que aunque un poco por encima de los valores necesitados, también quedan bastante cercanos a ellos. VCB VCE VBE + + _ _ Indicar que VCE – VCB – VBE = 0 Fijarse de nuevo en las polaridades de las pilas y de los multímetros. Los signos + indican dónde es mayor la tensión, mientras que los signos – indican dónde la tensión es menor.

14. Y también podemos realizar el montaje con componentes reales: VCC. Fuente de voltaje de 18 v (2 pilas en serie de 9 v cada una) _ _ + + + VBB. Pila de 1,5 v RB = 214000 Ω RC = 3280 Ω + + P N N E B C _ BC 108 _ Conexiones a tierra No disponemos del transistor NPN BC 107, pero sí del BC 108, que aunque puede tener mayor ganancia de corriente es de la misma familia que el BC 107. Las resistencias disponibles de valores más cercanos a los necesitados son RB 214000 Ω y RC 3280 Ω. Valores medidos con multímetro.

15. IC = 0,65 mA Si realizamos mediciones con multímetros observamos que la corriente de Base (IB) semantiene, pero la corriente de Colector (IC) se desajusta y disminuye de forma importante de los 1,29 mA que conseguíamos con el simulador, a los 0,65 mA que obtenemos en este montaje con dispositivos reales. Recordar que queríamos que el transistor funcionase con una IC de 1,5 mA. IB = 4,19 µA

16. VCE = 16,06 v Algo parecido ocurre con las tensiones. La tensión Base – Emisor (VBE) ha disminuido levemente, de 0,641 v a los 0,609 v. Pero el mayor cambio es el de la tensión Colector – Emisor (VCE), que ha aumentado desde los 13,69 v obtenidos en el simulador hasta los 16,06 v. Muy lejos de los 13 voltiosfijados como objetivo inicialmente. VBE = 0,609 v

17. ¿Por qué ocurre esto? Porque la ganancia de corriente (βF o hFE) del BC 108 en este circuito, realmente es bastante menor de lo que indican las curvas de salida de las características técnicas ofrecidas por el fabricante. IC (mA) IC (mA) Efecto de reducir la ganancia de corriente sobre las curvas de salida Punto de funcionamiento elegido (VCE = 13 v IC = 1,5 mA) Punto de funcionamiento obtenido con dispositivos reales (VCE = 16,06 v IC = 0,65 mA) IB = 5 µA IB = 4 µA ● IB = 4,2 µA IB = 5 µA IB = 4 µA ● IB = 4,2 µA VCE (V) Curvas de salida ofrecidas por el fabricante en las hojas de características técnicas. VCE (V) A la derecha, las curvas de salida del BC 108 más reales en este circuito con unas ganancias de corriente menores y que se corresponden con un valor de 100 para un valor de IB = 0 , 105 para IB = 1µA , 110 para IB= 2µA , 115 para IB = 3µA , 120 para IB = 4µA , 125 para IB = 5µA , 130 para IB = 6µA , 135 para IB= 7µA , 140 para IB = 8µA , 145 para IB = 9µA y 150 para IB = 10 µA.

18. Estos resultados suponen una Ganancia de corriente (hFE, βF) de un valor aproximado de 120 para este circuito. Nada tiene que ver con el valor de más de 300 que se presuponía inicialmente. Podemos confirmarlo si comprobamos la ganancia de corriente del dispositivo real con el multímetro y vemos que llega hasta un valor de 172.

19. En general, se debe considerar el valor menor de la ganancia de corriente proporcionado por el fabricante: