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• Nez Olivar

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Capitulo 2 TRANSISTORES En 1947 los Físicos Walter Brattain, William Shockley y John Bardeen, de los laboratorios Bell hacen el descubrimiento del transistor (Contracción de los términos Transfer Resistor ). Es un dispositivo electrónico empleado como amplificador de corriente y de voltaje, y consiste de materiales semiconductores que comparten límites físicos en común. Los materiales más comúnmente empleados son el silicio y el germanio, en los cuales son agregados las impurezas. En los semiconductores del tipo-n, hay un exceso de electrones libres, o cargas negativas, mientras que en los semiconductores del tipo-p hay un deficiencia de electrones y por consiguiente un exceso de cargas positivas. Los transistores son un componente importante en los circuitos integrados y son empleados en muchas aplicaciones como receptores de radio, computadoras electrónicas, y instrumentación de control automático (vuelos espaciales y misiles dirigidos). Desde su invención anunciada en 1948, por los científicos norteamericanos William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain, diferentes tipos se han desarrollado. Ellos son clasificados por lo general en bipolares y de efecto de campo. Un transistor bipolar consiste de tres capas: las capas superior y la inferior, llamadas emisor y colector son de un tipo de semiconductor, mientras que la del medio, llamada base es de del otro tipo de semiconductor. Las superficies que separan, los tipos diferentes de semiconductores son llamados juntura p-n. Los electrones pasan a través de las junturas de una capa hacia otra. La acción del transistor es tal que si el potencial eléctrico en los segmentos son determinados correctamente, una pequeña corriente entre el emisor y la base produce en una gran corriente entre el emisor y el colector, produciéndose así la amplificación de corriente. Un transistor de efecto de campo funciona de manera similar excepto que la resistencia al flujo de electrones es modulada por un campo eléctrico externo. En un junción field-effect transistor (JFET), el campo eléctrico controlador es producido por una polarización inversa en la juntura p-n (una en la cual el voltaje es aplicado, de tal manera que hace que el lado p sea negativo con respecto al lado n); en un MOSFET (metal oxido semiconductor field effect transistor), el campo eléctrico es debido a una carga en un capacitor formado por un electrodo de metal y una capa aislante de oxido que separa el electrodo del semiconductor.

2.1 Clasificación de los transistores pnp BJT TRANSISTORES

npn

TIRISTOR

SCR GTO TRIAC RTC SITH LASCR de canal n

JFET de canal p FET

MISFET de acumulación MOSFET de vaciamiento

Tipos de Transistores Existen distintos tipos de transistores, de los cuales, la clasificación más aceptada consiste en dividirlos en transistores bipolares o BJT (bipolar junction transistor) y transistores de efecto de campo o FET (field effect transistor). La familia de los transistores de efecto de campo es a su vez bastante amplia, englobando los JFET, MOSFET, MISFET, etc. La diferencia básica entre ambos tipos de transistor radica en la forma en que se controla el flujo de corriente. En los transistores bipolares, que poseen una baja impedancia de entrada, el control se ejerce inyectando una baja corriente (corriente de base), mientras que en el caso de los transistores de efecto de campo, que poseen una alta impedancia, es mediante voltaje (tensión de puerta). Transistores Bipolares. (BJT). Transistores Bipolares de unión, BJT. PNP o NPN, (del ingles, Bipolar Junción Transistor). El término bipolar expresa el hecho de que los huecos y los electrones participan en el proceso de inyección de cargas y que se pueden dirigir hacia el material polarizado de forma inversa. El transistor bjt está compuesto por tres cristales que pueden ser de Silicio o Germanio, y pueden ser del tipo NPN o PNP (ver dopado capitulo I) como se ve en la figura 2.1

Figura 2.1 transistor NPN y PNP en sus tres zonas La zona N del transistor(izquierda) es el "Emisor", la zona central P es la "Base" y la zona N(derecha es el "Colector". El Emisor está fuertemente dopado, la base tiene una impurificación muy baja, mientras que el Colector posee una impurificación intermedia. Los transistores son utilizados como interruptores electrónicos de potencia. Los circuitos de excitación de estos se diseñan para que éstos estén completamente saturados (activados) o en corte (desactivados). Los transistores tienen la ventaja de que proporcionan un control de activación y de desactivación. Transistor Bipolar de Heterojuntura El transistor bipolar de heterojuntura (TBH) es una mejora del TBJ que puede manejar señales de muy altas frecuencias, de hasta varios cientos de GHz. Es un dispositivo muy común hoy en día en circuitos de muy alta velocidad de conmutación, generalmente en sistemas de radiofrecuencia. Los transistores de heterojuntura tienen diferentes semiconductores para los elementos del transistor. Usualmente el emisor está compuesto por una banda de material más larga que la base. Esto ayuda a reducir la inyección de portadores minoritarios desde la base cuando la juntura emisor-base está polarizada en directa y esto aumenta la eficiencia de la inyección del emisor. La inyección de portadores mejorada en la base permite que ésta pueda tener un mayor nivel de dopaje, lo que resulta en una menor resistencia. Con un transistor de juntura bipolar convencional, también conocido como transistor bipolar de homojuntura, la eficiencia de la inyección de portadores desde el emisor hacia la base está principalmente determinada por el nivel de dopaje entre el emisor y la base. Debido a que la base debe estar ligeramente dopada para permitir una alta eficiencia de inyección de portadores, su resistencia es relativamente alta.

El tiristor Un tiristor es uno de los tipos más importantes de los dispositivos semiconductores, los tiristores se utilizan en forma extensa en los circuitos electrónicos de potencia. Se operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor a un estado conductor. Para muchas aplicaciones se puede suponer que los tiristores son interruptores o conmutadores ideales, aunque los tiristores prácticos exhiben ciertas características y limitaciones. Dependiendo de la construcción física y del comportamiento de activación y desactivación, en general los tiristores pueden clasificarse en ocho categorías:

1. Tiristores de control de fase o de conmutación rápida (SCR). 2. Tiristores de desactivación por compuerta (GTO). 3. Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC). 4. Tiristores de conducción inversa (RTC). 5. Tiristores de inducción estática (SITH). 6. Rectificadores controlados por silicio activados por luz (LASCR

2.2 El transistor sustentado con dos diodos Un transistor es similar a dos diodos de propósito general, en él se marcan dos uniones, una entre el emisor y la base y la otra entre la base y el colector. El emisor y la base forman uno diodo, mientras que el colector y la base forman el otro diodo. Estos diodos son denominados: "Diodo de emisor" y "Diodo de colector" , como podemos apreciar en la figura 2.2 a y b en ambos casos tendremos transistores tipo PNP y NPN, en donde los emisores de ambos transistores están fuertemente dopados, las bases ligeramente dopados y los colectores medianamente dopados.

(a) (b) Figura 2.2 transistor representado por capas y diodos 2.2.1 El transistor con polarización

Para que un transistor pueda funcionar correctamente, se tienen que cumplir una serie de condiciones, como son:

  

El espesor de la base sea muy pequeño El emisor esté mucho más dopado que la base Esté bien polarizado, es decir a las tensiones adecuadas.

Cuando un transistor tipo NPN se polariza como aparece en la figura 2.3, se podría esperar que sólo circule corriente entre el emisor y la base, las cuales se encuentran con las uniones polarizada en forma directa, y que no circule corriente entre la unión base y colector debido a la polarizada inversa que esta tiene, para entender el flujo de corrientes analicemos el siguiente párrafo. Cuando enfrentamos dos cristales uno del tipo P y otro tipo N, existirá en el momento de enfrentarlos un flujo de corriente en las superficies de ellos, recordemos que este flujo de corriente se les llama corrientes de fuga y es mínima, pero en el momento que encuentren su equilibrio eléctrico dejaran de fluir electrones de una capa a otra, este proceso se presenta cuando los cristales no están polarizados. Pero si unimos tres capas de cristales ya sean PNP o NPN y los polarizamos entonces el proceso funcionara de la siguiente forma: Hagamos primero el análisis del transistor npn, cuando se halla polarizado, si provocáramos una "Difusión" de cargas negativas en exceso por el cristal N debido a un alto dopado, estas cargas(electrones) trataran de cruzan de la zona N a la zona P(muy delgada), cuando lo logran, encuentran un hueco y se recombinan. Esto hace que en las uniones entre las zonas n y p se generen iones positivos y negativos figura 2.3, esta difusión y recombinación se da hasta llegar al equilibrio.

Figura 2.3 difusión y recombinación de los electrones en el transistor Secundariamente se provocará una barrera de potencial de 0,7 V (para el Si) y 0.3 (para Ge), pero como son tres capas, entonces se crean dos zonas de recombinación y dos barreras de potencial, una en la unión E-B (W e) que seria de un espesor pequeño debido a la polarización, y otra en la unión C-B.(wc)de un espesor mayor por la polarización inversa. Si VBB es mayor al valor de barrera de potencial, fluirán grandes cantidades de electrones desde el emisor hasta la base, en este punto los electrones tendrán dos caminos a seguir, uno es salir de base hasta llegar al polo positivo de la fuente V BB, y el otro es llegar hasta el colector del transistor, en el primer caso, la cantidad de electrones que fluyen son en cantidades mínimas y esto es por el pobre dopado que existe, y en el segundo caso, tendremos una mayor cantidad de electrones, y es debido al dopado que tiene el colector.

El símbolo representativo de un transistor en sus dos versiones, son como el que se muestra en la figura 2.3 a

Figura 2.3 a símbolos del transistor npn y pnp

Daños en un transistor

Para comprobar si un transistor funciona correctamente, separémoslo del circuito donde se encuentre conectado, y con un óhmetro hacer lecturas en los tres puntos que se encuentran referenciados al transistor como se muestra en la figura 2.4

Figura 2.4 comprobación de funcionamiento del transistor Observe en la figura 2.4 que cuando se conecta el óhmetro digital entre la base y el emisor, marcará una resistencia pequeña, y cuando esta conectado inversamente la resistencia es alta. Otras posibles averías son:   

RCs (corto-circuito). RCo (abierto). VCC (no exista )

2.2 Corrientes en un transistor Los arreglos que se manejaron para el comportamiento de un diodo son: Que se polarice directamente el diodo figura 2.5a, y esto generara una curva como la de la figura 2.5b

a

b

Figura 2.5 Polarización y curva característica del transistor en la entrada Para un transistor también tomamos criterios, es decir debemos considerar las leyes de Kirchhoff, y señalaremos que todas la corrientes entrantes en un punto serán iguales a las suma de las corrientes salientes, y se encuentran regidas por la ecuación 2.1

IE = Iemisor

IC = Icolector

IB = Ibase Ecuación de corrientes para un transistor bipolar :

IE =

IC

+

IB

ecuación 2.1

El transistor entonces es un amplificador de corriente, esto significara que si le aplicamos una cantidad de corriente a través de la base, el colector entregará una cantidad de corriente mayor a la aplicada, a este proceso se le llama amplificación. Esta amplificación también se le conoce como factor β (beta) y es un dato propio de cada transistor. Entonces la ecuación resultante para IC será: Ic = β * I b

ecuación 2.2

Según la ecuación 2.2 las corrientes no dependen del voltaje que alimenta el circuito (Vcc), pero en la realidad si lo hace, y para la corriente I b también cambiaria ligeramente se puede ver en la figura. 2.6

Figura 2.6 curva del transistor cuando cambia VCC Normalmente los transistores presentan varias curvas, estas están en función de la corriente que circule por la base, como se muestra en la figura 2.7, en ella se observara también que existen tres regiones que analizaremos en el siguiente párrafo.

Figura 2.7 Curvas características de un transistor con sus regiones

2.3 Regiones operativas del transistor Definamos cada una de las regiones que se marcan en la figura 2.7 Región de corte: Un transistor esta en corte cuando la corriente de colector es igual a la corriente de emisor = 0 (Ic = Ie = 0) En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor, será el voltaje de alimentación del circuito, como no hay corriente circulando, no hay caída de voltaje, entonces interpretaremos que la corriente de base = 0 (Ib =0) Región de saturación: Un transistor está saturado cuando su corriente de colector y la corriente de emisor son las mismas.

(Ic = Ie = I máxima) En este caso la magnitud de la corriente, depende del voltaje de alimentación que tenga el circuito, y de las resistencias conectadas en el colector o el emisor o en ambos casos, suponemos que la corriente de base es lo suficientemente grande como para inducir una corriente de colector β veces más grande. (recordar que Ic = β * Ib) Región activa: Cuando un transistor no está ubicado en ninguna de sus regiones, es decir en la de saturación ni en la región de corte, entonces está en una región intermedia, llamada región activa. En esta región la corriente de colector (Ic) depende fundamentalmente de la corriente de base (Ib), de β (ganancia de corriente de un amplificador dato proporcionado por el fabricante) y de las resistencias que hayan conectadas en el colector y emisor). Esta región es la mas importante cuando el transistor se esta utilizando como un amplificador. EJERCICIO: De la figura 2.8 supongamos que I E sea la corriente de entrada y que tiene un valor de IE = 100 mA, de esta cantidad se recombinará el 1 % de electrones en la base, entonces IB = 1 mA , por otro lado en el colector tendremos el 99% de los electrones restantes. Los signos como siempre, serán negativos cuando circulan en el mismo sentido del electrón, y si estos van en sentido contrario serán positivos.

Figura 2.8 sentido de corrientes dentro de un transistor Por comodidad cambiaremos la dirección a I E en la figura 2.8 y así poder obtener un valor que sea positivo, y la ecuación resultante será: IE = I B + I C En donde las corrientes entrantes son las de la base y la de colector, y por lo tanto la saliente es el emisor vea la figura 2.9

Figura 2.9 inversión de flechas

El Alfa y Beta del transistor Una forma de medir la eficiencia del transistor BJT es a través de la cantidad de electrones capaces de cruzar la base y alcanzar el colector. El alto dopaje de la región del emisor y el bajo dopaje de la región de la base pueden causar que muchos más electrones sean inyectados desde el emisor hacia la base que huecos desde la base hacia el emisor. La ganancia de corriente emisor común está representada por βF o por hfe. Esto es aproximadamente la tasa de corriente continua de colector a la corriente continua de la base en la región activa directa y es típicamente mayor a 100. Otro parámetro importante es la ganancia de corriente base común, αF. La ganancia de corriente base común es aproximadamente la ganancia de corriente desde emisor a colector en la región activa directa. Esta tasa usualmente tiene un valor cercano a la unidad; que oscila entre 0.98 y 0.998. El Alfa y Beta están más precisamente determinados por las siguientes relaciones (para un transistor NPN):

2.4

El transistor polarizado

Configuraciones Hay tres tipos de configuraciones típicas en los amplificadores con transistores, cada una de ellas tienen características especiales que las hacen mejor para cierto tipo de aplicaciones. Si conectáramos fuentes de tensión externas para polarizar al transistor, se obtendrían las 3 configuraciones generales:   

Base común (BC). Emisor común (EC). Colector común (CC).

A su vez cada una de estas configuraciones puede trabajar en las tres regiones operativas del transistor, en el siguiente cuadro se analizan tres condiciones de los transistores.

Zona

Fuente

Función

Zona activa

VE directo y VC inverso

Amplificador

Zona de saturación

VE directo y VC directa

Conmutador

Zona de corte

VE inversa y VC inversa

Conmutador

Las características de los transistores utilizados como amplificadores de señal varían de acuerdo al tipo de zona que se utilice como común. El amplificador en EC es el que tiene mayor aceptación, por tener una gran amplificación de potencia, una ganancia de voltaje y ganancia en corriente grande. El amplificador en emisor común, se restringe por tener una ganancia en amplificación no mayor de uno, pero es ideal para acoplar fuentes de alta impedancia con cargas de baja impedancia, además es un buen amplificador de ganancia en corriente 2.4.1 Configuración en base común (BC) El transistor utilizado como amplificador en BC, presenta características como es, ganancia de potencia intermedia, es decir entre la ganancia que tiene el EC y el CC, tiene una ganancia de corriente igual a uno, no puede proporcionar una ganancia de tensión, solamente la proporcionara cuando la impedancia de carga es mayor que la impedancia de entrada. Este tipo de amplificador BC es el menos utilizado con respecto al EC y CC, pero presenta una característica importante. La zona que más interesa en el amplificador es la zona activa, por lo tanto haremos un análisis a profundidad en esta zona. La zona p de base suele ser muy estrecha en la práctica, y el funcionamiento del transistor se analiza en la figura 2.10.

Figura 2.10 función del transistor en la zona activa La fuente VE proporciona el voltaje requerido para polarizarlo directamente, entonces el negativo de la fuente VE repele los electrones de la zona del emisor, algunos cruzan la

unión del cristal NP del emisor. Algunos de estos electrones cruzaran la segunda unión del transistor (PN) y pasaran por la zona p de la base sin recombinarse. Debido a la fuente VC existe la posibilidad que un electrón cruce la segunda barrera de potencial, para después salir por el colector como se puede ver en la figura 2.11

Figura 2.11 movimiento de un electrón dentro de un transistor

Este es el efecto de un transistor con cristal NP, cuando se tiene que vencer las barreras de potencial, el electrón tiene que pasar la primer barrera de potencial de la unión NP, y posteriormente tendrá que bajar la barrera de la unión PN. De los electrones emitidos por el emisor, aproximadamente un 1 % se recombina en la base, y un 99 % llega al colector, esto es el efecto del transistor. Como la base es muy estrecha y además está muy poco impurificada, entonces la probabilidad de que un electrón se recombine en ella sea muy pequeña. El emisor emite electrones, el colector los recoge, y la base es un dispositivo de control. Además observe que el voltaje en la entrada del emisor es de valor muy pequeño, y el voltaje en su salida tendrá que ser de un valor muy grande comparado con la entrada Circuito polarizado en dc para base común La terminología que se utiliza en un circuito de base común, es que su base es común tanto en la entrada como en la salida del circuito, como se observa en la figura 2.12, y los sentidos de corriente serán los sentidos convencionales. La flecha dentro del circuito, define la dirección de la corriente, note que la IE =IC + IB, también observe que las fuentes de alimentación permiten establecer una corriente en la dirección que se indica en cada rama, finalmente tendremos que hacer tres consideraciones para el circuito en base común.

1.- Cuando el transistor este trabajando en la región activa, la unión base - colector se polarizaran inversamente, mientras que la unión base – emisor esta polarizado directamente. IC  IE 2.- Cuando “trabaja” en la región de corte, la unión base – colector y base – emisor tienen polarización inversa. 3.- En la región de saturación, la unión base – colector y base – emisor están polarizadas en forma directa. VBE = 0.7 V 4.- La señal se aplica al emisor del transistor y se extrae por el colector, la base se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta configuración se tiene ganancia sólo de tensión. La impedancia de entrada es baja y la ganancia de corriente algo menor que uno, debido a que parte de la corriente de emisor sale por la base. Si añadimos una resistencia de emisor, que puede ser la propia impedancia de salida de la fuente de señal, un análisis similar al realizado en el caso de emisor común, nos da la ganancia aproximada siguiente:

.

La base común se suele utilizar para adaptar fuentes de señal de baja impedancia de salida como, por ejemplo, micrófonos dinámicos. Hechas estas consideraciones obtengamos las ecuaciones resultantes para este circuito, hagamos el análisis para la malla de entrada de la figura 2.12 en donde su ecuación será:

Despejando la corriente de base tendremos: ecuación 2.3

Como la corriente de base dependerá de la propia resistencia en la base entonces ecuación 2.4

Sustituyendo la ecuación 2.3 en la ecuación 2.2 , obtenemos la corriente de colector, que su valor dependerá de β

Alfa (α) Podemos decir que α trabaja bajo dos parámetros, uno es para d.c y la otra para a.c, pero en la mayor de las veces las magnitudes tanto para αd.c como para αa.c son muy similares en valor, por lo que se puede utilizar la magnitud de una para sustituir a la otra. El primer caso que tocaremos será para d.c, entonces αd.c es una relación entre la corriente de colector y la corriente de emisor y esta definida por la letra α.

α=

−I c ecuación 2.5 IE

Las variables IC e IE son las corrientes que se darán en el punto de operación, los valores para α suelen ser desde 0.9 hasta 0.998 Ejemplo: Para el circuito de la figura 2.13 que es de base común determinar para condiciones estáticas a) el valor de voltaje VCB y b) el valor para lB ., cuando el transistor presenta una β= 80, c) explique la función de los capacitores.

Solución : Las fuentes VEE, y VCC presentan valores de 7 Volts y 15 Volts respectivamente a)

La ecuación de entrada para el circuito será

VBE + IE RE - VEE = 0 Despejando IE

IE

=

VEE - VBE RE

=

7V - 0.7 V

= 2.86 mA.

2.2 K

Como IE = IC Ahora para la ecuación de salida - VCB + IC RC - VCC = 0

VCB = - IC RC + VCC = 15 Volts – (2.86 mA) ( 4.7 K) = VCB =

15 V – 13.44V 1.55 Volts

Recuerde que el colector se polariza inversamente b.- la corriente de base será :

c). Los capacitares que se encuentran en los extremos del circuito cumplen con una doble función 1.- A frecuencias bajas se comportan como un circuito abierto. 2.- A frecuencias altas se comportan como corto circuito.

d) La curva característica será:

Ejemplo: El circuito de la figura 2.14a es un transistor en base común que funcionará en condiciones estáticas, ahora con los valores que ahí se marcan, calcule

a) IE =

b) VC =

c) VCE

.

Este problema puede tener dos alternativas para su solución

Primera alternativa: Normalmente estamos familiarizados con circuitos que se representan con sus respectivas simbologías, pero no estamos acostumbrados a analizar los esquemas sin esta simbología figura 2.14a, y que en la mayoría de los circuitos profesionales así se marcan. Por lo tanto hagamos un circuito tradicional con sus fuentes como es el de la figura 2.14b.

a)

La ecuación de entrada para el circuito será

VBE + IE RE - VBB = 0 Despejando IE

IE =

VBB - VBE

=

8V - 0.7 V

RE

3.31 mA.

2.2 K

Como IE = IC

b)

Ahora para la ecuación de salida

VCB + IC RC - VCC = 0 VCB = VCC - IC RC = 10 Volts - (3.31 mA) ( 1.8 K) = VCB =

c)

VCE = VCB - VBE

10 V - 5.958 V 4.042 Volts

pero; VBE = (- 0.7 V ) negativo por su sentido de corriente

= 4.042 V + (0.7 V) VCE = 4.74 V

Notas: -

Al no existir una Rb en la base del transistor, implica que el voltaje en esa base es cero (0) porque la corriente es tan pequeña que se considera cero.

-

Ahora la tensión en el diodo emisor sabemos que tiene un valor de (- 0.7 V), pero la pregunta sería; porque aparece el signo menos, la respuesta se puede fundamentar; por los sentidos que llevan las corrientes en el circuito debido a las fuentes presentes. - Observe que hay una caída de tensión debido a un flujo de corriente entre base y emisor , es decir llevará un sentido de un potencial positivo a uno negativo, por lo tanto en el emisor del transistor tendrá un voltaje

de -0.7 V. Entendámoslo de otra manera; si la base del transistor presenta un valor de 0 volts (VB=0V) , entonces la tensión en el emisor no puede tener el mismo signo que la base.

Segunda alternativa:

a)

IE= ?

Refiriéndonos a la figura 2.15, sabemos que el voltaje que existe del lado derecho entre la resistencia Rc y la base es de un valor de -0.7 volts , y del lado izquierdo tiene un valor de -8 V , entonces su voltaje en este resistencia es de: VRe = -0.7 V – (- 8) = 7.3 V aplicando ley de ohm en la entrada tendremos

I E=V ℜ/ R e=

7.3V 2.2 K

=

3.318 mA.

Compare este resultado con el obtenido en la primer solución b)

VC = ?

VC = VCC - ICRC = 10 V – (3.31 mA)( 1.8K) VC = 4.04 volts = VCB C

VCE = ? VCE = VCB - VEB =

4.04V - (-0.7)V

VCE = 4.74 Volts

Observe que los resultados en ambos casos son similares.

El amplificador de base común para a.c http://www.unicrom.com/Tut_amplificador_transistor_pequena_senal.asp

La polarización de un transistor es la responsable de establecer las corrientes y tensiones que fijan su punto de trabajo en la región lineal (bipolares) o saturación ( FET), regiones en donde los transistores presentan características más o menos lineales. Al aplicar una señal alterna a la entrada, el punto de trabajo se desplaza y amplifica esa señal. El análisis del comportamiento del transistor en amplificación se simplifica enormemente cuando su utiliza el llamado modelo de pequeña señal obtenido a partir del análisis del transistor a pequeñas variaciones de tensiones y corrientes en sus terminales.

En un amplificador de transistores bipolares aparecen dos tipos de señales, de corriente continua d.c y corriente alterna a.c La componente en continua o DC polariza al transistor en un punto de trabajo localizado en la región lineal. Este punto está definido por tres parámetros: ICQ, IBQ y VCEQ. El comportamiento de un circuito lineal , tal como se muestra en la figura 2.16, puede ser desarrollado a través de dos corrientes (I1 e I2) y dos tensiones (V1 y V2). En función de las dos variables seleccionadas como independientes, ese circuito lineal puede ser desarrollado mediante cuatro tipos de parámetros ({Z}, {Y},{H},{G}) Los parámetros {H} o h o híbridos son los que mejor caracterizan el comportamiento lineal de pequeña señal de un transistor bipolar. Estos parámetros relacionan la V1 e I2 con la I1 y V2 mediante la siguiente ecuación

Definamos algunos parámetros:

El modelo para circuitos en parámetros h de un circuito lineal se indica en la figura 2.17

Un circuito lineal, que puede ser un transistor actúa como amplificador de señal, y lo analizaremos su comportamiento cuando sea excitado con una fuente de señal externa VS, con una impedancia interna RS y la completaremos con una carga ZL , tal como se indica en la figura 2.18

El circuito lineal puede ser sustituido por su modelo equivalente en parámetros {H} agregando las variables Rs , Vs y Z L agregados a la (figura 2.17) resultando el circuito de la figura 2.19.

Existen cuatro parámetros importantes que van a caracterizar completamente el circuito: ganancia en corriente, impedancia de entrada, ganancia en tensión e impedancia de salida. Ganancia de corriente Se define la ganancia de corriente de un circuito, AI, como la relación entre la I intensidad de salida e intensidad de entrada, es decir;

El resultado de la ecuación 2,8 se obtiene de las ecuaciones que resultan del circuito de la figura 2.19

Sustituyendo I2 en V2 y despejando, se obtiene:

Impedancia de entrada Se define a la impedancia de entrada del circuito como Zi , y es la relación entre la tensión de entrada y corriente de entrada. Obteniendo la ecuación de el circuito de entrada se demuestra que

Nótese que la impedancia de entrada depende de la carga ZL Ganancia de tensión Se define la ganancia en tensión como AV, y es la relación entre la tensión de salida y la tensión de entrada. Como se demuestra a continuación, la ganancia AV se puede expresar en función de la AI y la Zi , de forma que:

Impedancia de salida Se define a la impedancia de salida como Zo, y es vista a través del nudo de salida del circuito lineal como la relación entre la tensión de salida y la corriente de salida, suponemos que el generador de entrada es nulo, y en ausencia de carga (ZL = infinito). Obteniendo y sustituyendo en las ecuaciones de salida se demuestra que:

Nótese que la Zo depende de la resistencia Rs de entrada. La impedancia de salida “vista” desde el nudo de salida es Zo||ZL. Estos cuatro parámetro permiten definir dos modelos simplificados muy utilizados en al análisis de amplificadores: modelo equivalente en tensión y modelo equivalente en intensidad. El modelo equivalente en tensión (figura 2.20) utiliza el equivalente Thèvenin en la salida

Y para la intensidad (figura 2.21) utiliza el modelo equivalente en Norton.

Ambos modelos son equivalentes y están relacionados por la ecuación 2.12. La resistencia RS de la fuente de entrada de la figura 2.20, influye en las expresiones de las ganancias de tensión o intensidad cuando se refieren a la fuente de excitación de entrada. En la figura 2.20, la ganancia de tensión referida a la fuente VS, AVS, se obtiene analizando el divisor de tensión de la entrada formado por RS y Zi, dará como resultando

De la misma manera, la ganancia de intensidad referida a la fuente I S (figura 2.21), AIS, se obtiene analizando el divisor de corriente de entrada formado por RS y Zi, dará como resultando

Despejando en 2.14 y 2.15 a AV y AI, y sustituyendo en la ecuación 2.12, se obtiene la relación entre AVS y AIS, dando como resultado la ecuación 2.16

La componente en alterna o AC, generalmente de pequeña señal, introduce pequeñas variaciones en las corrientes y tensiones en los terminales del transistor alrededor del punto de trabajo. Por esta razón debemos considerar el teorema de superposición, en donde este teorema ayuda a encontrar: 1.- Valores de tensión, en una posición de un circuito, que tiene mas de una fuente de tensión. 2.- Valores de corriente, en un circuito con más de una fuente de tensión El teorema de superposición establece que el efecto de dos o más fuentes de voltaje que tienen sobre una resistencia, es igual, a la suma de cada uno de los efectos de cada fuente tomados por separado, sustituyendo todas las fuentes de voltaje restantes por un corto circuito. Ejemplo: Se desea saber cual es la corriente que circula por la resistencia RL (resistencia de carga). R1 = 2 kilohmios R2 = 1 kilohmio RL = 1 kilohmio V1 = 10 voltios V2 = 20 voltios

Como hay dos fuentes de voltaje, se utiliza una a la vez mientras se cortocircuita la otra. En este caso para el circuito de la figura 2.16 se toma en cuenta la fuente V1. Y como segundo diagrama lo notaremos como aquel que toma en cuenta solamente a V2

Dependiendo de la fuente considerada para cada caso, se obtiene una corriente que circulara por la resistencia RL y después estas dos corrientes se suman para obtener la corriente total en esta resistencia Primero se analiza el caso en que sólo está conectada la fuente V1. Se obtiene la corriente total que entrega esta fuente obteniendo la resistencia equivalente de las dos resistencias en paralelo R1 y RL Req= RL // R2 = 0.5 (kilohms) A este resultado se le suma la resistencia R1 (R1 esta en serie con Req.) Resistencia total = RT = R1 + Req. = 0.5 + 2 = 2.5 kilohmios De esta manera se habrá obtenido la resistencia total equivalente en serie con la fuente. Para obtener la corriente total del circuito, se corto-circuitara la fuente V1

Para obtener la corriente total del circuito se utiliza la Ley de Ohm: I = V / R Itotal = 10 Voltios / 2.5 kilohmios = 4 miliamperios (mA.) Por el teorema de división de corriente se obtiene la corriente que circula por RL: IRL = [I x RL // R2] / RL donde RL // R2 es el paralelo de RL y R2 (se obtuvo antes Req. = 0.5 kilohmios) Sustituyendo valores: IRL = [4 mA x 0.5 kilohmios] / 1 kilohmio = 2 mA. (miliamperios) El caso de la fuente V2 se desarrolla de la misma manera, sólo que se deberá cortocircuitar la fuente V1. En este caso la corriente debido sólo a V2 es: 8 mA. Sumando las dos corriente se encontrará la corriente que circula por la resistencia RL del circuito original. Corriente total = IT = 2 mA. + 8 mA. = 10 mA. (miliamperios). Si se tiene la corriente total en esta resistencia, también se puede obtener su voltaje con solo utilizar la ley de Ohm: VL= IT x RL Si aplicamos el teorema anteriormente visto, entonces la IC, IB y VCE del transistor tiene dos componentes: una en corriente continua y otra en corriente alterna, de forma que:

donde ICQ, IBQy VCEQ son componentes DC, e ic, ib y vce son componentes en alterna, condicionando que ic