Taller de electrónica: Práctica con transistores

Hoy compartimos una nueva lección de nuestro Taller de Electrónica en el que analizamos las propiedades básicas del transistor como son la ganancia, las impedancias de entrada y salida o la zona de amplificación y saturación. Además se presentan una serie de circuitos en los que se analizan las ventajas e inconvenientes, así como sus posibles implementaciones. Entre los circuitos analizados se encuentran el transistor actuando como llave, el seguidor por emisor y el amplificador emisor común.

Introducción

Los transistores son dispositivos semiconductores que permiten el control y la regulación de una corriente mediante una señal relativamente pequeña. Debido a su construcción, se pueden clasificar en dos tipos, NPN y PNP, cuya diferencia reside en el sentido de conducción, simbolizado por la flecha dibujada en el emisor. El comportamiento del transistor puede analizarse tomando en consideración sus características de entrada (terminales base-emisor) y sus características de salida, es decir, el control ejercido sobre los terminales colector-emisor por el circuito de entrada.

Imagen 1: Transistor NPN. Imagen 2: Transistor PNP.

Desde el punto de vista de su funcionamiento eléctrico, los terminales base y emisor se asemejan a un diodo. Se producirá circulación de corriente, solamente cuando la polaridad de los potenciales aplicados corresponda a la polaridad del diodo base-emisor. O sea que cuando la diferencia de potencial del elemento representado por un diodo (base-emisor), sea mayor que la tensión de juntura, este conducirá. Si se aplica una fuente de tensión de polaridad adecuada a los terminales base emisor se producirá una corriente de base IB, determinada por la tensión de alimentación, la resistencia de base RB y la resistencia propia del diodo (en general esta resistencia será reducida por tratarse de un diodo polarizado en su sentido de conducción). Se observa que la corriente del colector IC depende en forma directa de la corriente IB de manera tal que:

• Si no circula corriente por el circuito base-emisor, tampoco circula corriente por colector-emisor (la corriente IC es prácticamente nula).
• Todo aumento (o disminución) de la corriente IB se traduce como un aumento (o disminución) de la corriente IC.
• Se puede afirmar que existe una relación proporcional entre la corriente de base y la corriente de colector. Por otra parte, también se observa que valores pequeños de corriente en la base producen una circulación de corriente en el colector apreciablemente mayor. Esta característica de control entrada-salida se especifica por medio de la relación entre las corrientes IC e IB, denominada ganancia (B=IC/ IB).

Resumiendo, el transistor es un elemento de circuito que admite un control sobre los terminales de salida que depende de la señal aplicada a su entrada. Este control se realiza por circulación de corriente en la base.

Además, el transistor puede operar como una llave donde los dos casos posibles de operación serán:

• El transistor como llave abierta: si la corriente de base es nula, la corriente de colector será prácticamente cero.
• El transistor como llave cerrada: A medida que se aumenta la corriente de base, se incrementa consecuentemente la corriente de colector hasta que se llega a la zona de saturación.

Desarrollo experimental, resultados y discusión.

Ganancia del transistor

Se midió la ganancia del transistor (hFE) (la ganancia hFE que se indica en las hojas de datos de los transistores bipolares es la cantidad de veces que se amplifica la corriente de base. O sea: Ic = hFE * Ib), según el circuito de la Figura 1. La ganancia es una medida del factor en que el transistor amplifica la señal de salida, respecto de la de entrada, quitando la menor corriente posible.

Figura 3: Gráfica Iprincipal y Ibase.

En este caso en vez de utilizar una resistencia variable como dice la práctica, se usó una fuente variable de tensión con el objetivo de obtener un mayor rango de medición. Para estar dentro de los valores típicos de corriente de base (1-100 mA), se utilizó una R1=56 kΩ, y para limitar la corriente en el colector una R2= 1 kΩ.

Se midió entre el colector y tierra, a eso se le restaron los 12 V de corriente continua, y se dividió por la resistencia R2, con esto obtenemos la Iprincipal. Luego se midió directamente la caída sobre R1, dividiendo por la misma se obtiene la corriente de base, Ibase. Así se obtuvo el gráfico que se ve en la Figura 3. Iprincipal vs. Ibase.

Figura 4: Circuito utilizado para utilizar el transistor como llave.

Figura 5: Circuito utilizado para utilizar el transistor como llave.

El Transistor como llave

En el circuito de la figura 4 se utiliza el transistor como llave. La llave permite interrumpir la corriente de base, esto hace que el transistor no esté polarizado, con lo cual la corriente del colector es nula y no enciende la lámpara. Cuando la llave está cerrada circula una corriente de base de 11.4 mA, que es muy superior a la corriente de saturación (alrededor de 500 uA). Por ello, el transistor funciona como una llave cerrada, observando que se enciende la lámpara.

Con este circuito, utilizando la llave, se pueden controlar corrientes relativamente grandes respecto de la que circula por la misma.

Figura 6: Seguidor por emisor, con capacitor de bloqueo, utilizado para medir la impedancia de salida Z0.

Seguidor por emisor

Se armó el circuito de la Figura 5, que corresponde a un seguidor por emisor. El seguidor lo que hace es replicar la señal de entrada quitando la menor cantidad de corriente posible del circuito. Aquí lo que se observa, es que la señal es muy pobre, así que la resistencia que sigue al emisor, y que está a tierra, se la conecta a –12 V. Esto sirve para obtener la reproducción completa de la señal, ya que el transistor queda polarizado en directa, siempre y cuando la señal de entrada supere un cierto valor.

Figura 7: a) Señal de entrada y salida del seguidor por emisor. b) Con capacitor de bloqueo, se ve que este quita la componente continua.

Impedancia de entrada y de salida del seguidor por emisor

Para medir la impedancia de salida Z0 del seguidor, lo que se hizo fue conectar una resistencia de carga de R3=560Ω y un capacitor de 4,7uF, como se muestra en la Figura 6.

Figura 8: Determinación de la impedancia de entrada Z1.

En la Figura 7a, se observa la caída de tensión en R3 y después del emisor, se puede ver que la señal está desplazada. Al colocar el capacitor, esta situación cambia, ya que quita la componente de continua, como se ve en la Figura 7b donde la señal no se encuentra desplazada respecto de la entrada.

Figura 9: Seguidor con fuente de alimentación única.

Debido a la escasa diferencia entre la amplitud de la tensión en la resistencia y de la fuente calculada concluimos que la resistencia de salida del transistor es muy inferior a la resistencia de 560 Ω.

Con estas mediciones se calculó la impedancia de salida. Como comentario, se puede señalar, que para frecuencias menores a 1 KHz existe un desfase entre las señales de entrada y salida, el mismo tiene que ver con la impedancia compleja del RC en serie que se está colocando.

La parte compleja de la impedancia va como -1/(wc), si la frecuencia es baja (alrededor de 100 Hz), este terminó es mayor que la componente resistiva, entonces la salida estará en contrafase. En cambio si la frecuencia y la capacidad, son grandes, este número será pequeño respecto a la parte resistiva, quedando ambas, la salida y la entrada en fase.

Para la medición de la impedancia de entrada se midió la tensión de la fuente de entrada y sobre la resistencia de 150 kΩ que se colocó entre la fuente y la base del transistor. Utilizando un ajuste lineal se pudo determinar con el cálculo de la pendiente que la Zi = 172 kΩ, como se muestra en la Figura 8.

Figura 10: Seguidor con fuente de alimentación única.

El circuito es el que se muestra en la Figura 9. Se puede ver el capacitor de 4.7uf, que no deja pasar la señal de corriente continua hacia la fuente de entrada. Con este circuito lo que se logra es mantener la base a un potencial que está alrededor de los 6 V, haciendo que el transistor esté siempre cerca del punto de trabajo óptimo. De esta forma si la señal tiene baja amplitud respecto de la tensión impuesta por las resistencias de 120kΩ y 150kΩ la señal no se distorsionará.

Figura 11: Amplificador con emisor común, sin recortar.

Figura 12: Amplificador con emisor común, la señal de entrada es muy grande, entonces la salida sufre un recorte que no es simétrico.

Amplificador con emisor común

El amplificador con emisor común es muy útil ya que tiene una impedancia de entrada muy alta y una impedancia de salida baja. La impedancia de entrada alta es una característica deseable en un amplificador, pues el dispositivo o circuito que lo alimenta no tiene que entregarle mucha corriente cuando le pasa la señal que se desea amplificar. Estos tipos de circuito son muy utilizados como circuitos separadores y como adaptadores de impedancia entre las fuentes de señal y las etapas amplificadoras.

Figura 13: Amplificador con emisor común, la señal de entrada es muy grande-

Para obtener un amplificador utilizando el emisor del transistor, se armó el circuito de la Figura 10. La ganancia de este circuito (en tensión) es de 9. Además, se observa que la señal está invertida respecto a original, Figura 11. Esto sucede porque cuando la Vent aumenta, el transistor conduce más, es decir, la diferencia de potencial entre colector y emisor disminuye, entonces, Vo disminuye. Análogamente cuando Vent disminuye la corriente no circula entre el colector y el emisor, así la diferencia de potencial en Vo es la misma que la fuente.

Figura 14: Amplificador con emisor, bypass, sin capacitor.

Se ve, para la Figura 12, un valor de tensión de entrada, donde el circuito empieza a saturar y se produce un recorte de la onda. Es notable la diferencia entre la sección superior y la inferior, el recorte no es simétrico. En la Figura 13 se ve que la salida esta distorsionada respecto de la señal de entrada. Este efecto se produce porque si bien la ganancia en corriente continua no se ve afectada por el capacitor (ya que este actúa como un cable abierto), la ganancia de corriente alterna se modifica pues la impedancia equivalente que forman la resistencia y el capacitor disminuye (respecto de la resistencia en continua) y consecuentemente la ganancia de alterna aumenta, llegando a saturar. Además puede notarse la pequeña distorsión producida por el capacitor en paralelo con la resistencia de 470Ω.

Amplificador con emisor “buffer”

El buffer consiste en el mismo circuito anterior (el de la Figura 9, con un capacitor en paralelo), pero con un seguidor por emisor a la salida, para así poder aprovechar la misma señal pero sacarle más corriente. Y además se obtiene todavía una menor impedancia de salida.

Se observa que la ganancia aumenta comparativamente respecto del “bypass”, que es el mismo circuito sin seguidor.

Conclusiones

Primero podemos destacar que el transistor se puede utilizar de dos maneras como llave en la que trabaja en la zona de saturación y como amplificador que se distingue debido a que dentro de esta zona la corriente de colector es B veces más que la de base. La ganancia calculada fue de 222, que se corresponde con los valores típicos (alrededor de los 300).

Se debe destacar que la ganancia del transistor medido puede ser algo distinta de las medidas sobre otros transistores del mismo modelo (BC548) ya que es un parámetro que depende fuertemente del espesor de la base.

Figura 15: seguidor por emisor buffer.

Resulta útil recordar que la ganancia por lo general disminuye para transistores de potencia pudiendo ser del orden de 10 para transistores de alrededor de 1Watt. El seguidor por emisor, si bien su ganancia de tensión es aproximadamente 1 puede resultar práctico cuando se tiene un sensor al que se desea extraer poca corriente para medir la señal que capta, porque posee una impedancia de entrada alta (Zi medida 172kΩ) y una impedancia de salida pequeña (Zo medida <<500Ω).

El seguidor con fuente única tiene la ventaja de mantener la base a un potencial que está alrededor de los 6 V (en nuestro caso, ver el ítem correspondiente: Seguidor con fuente de alimentación única), haciendo que el transistor este siempre cerca del punto de trabajo óptimo. En el amplificador emisor común con capacitor de bypass se observa las diferencias entre la ganancia de corriente continua y alterna.

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