Regiones operativas y configuraciones

El transistor bipolar es el más común de los transistores, y como los diodos, puede ser de germanio o silicio.

Existen dos tipos transistores: el NPN y el PNP, y la dirección del flujo de la corriente en cada caso, lo indica la flecha que se ve en el gráfico de cada tipo de transistor.

El transistor es un dispositivo de 3 patillas con los siguientes nombres: base (B), colector (C) y emisor (E), coincidiendo siempre, el emisor, con la patilla que tiene la flecha en el gráfico de transistor.

                            
Transistor NPN                               Transistor PNP

El transistor bipolar es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si le introducimos una cantidad de corriente por una de sus patillas (base), el entregará por otra (emisor) , una cantidad mayor a ésta, en un factor que se llama amplificación.

Este factor se llama β (beta) y es un dato propio de cada transistor.

Entonces:
- Ic (corriente que pasa por la patilla colector) es igual a β (factor de amplificación) por Ib (corriente que pasa por la patilla base).
- Ic = β * Ib
- Ie (corriente que pasa por la patilla emisor) es del mismo valor que Ic, sólo que, la corriente en un caso entra al transistor y en el otro caso sale de él, o viceversa.

Según la fórmula anterior las corrientes no dependen del voltaje que alimenta el circuito (Vcc), pero en la realidad si lo hace y la corriente Ib cambia ligeramente cuando se cambia Vcc. Ver figura.

En el segundo gráfico las corrientes de base (Ib) son ejemplos para poder entender que a más corriente la curva es más alta

Regiones operativas del transistor

- Región de corte: Un transistor esta en corte cuando:
corriente de colector  = corriente de emisor = 0, (Ic = Ie = 0)

En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de alimentación del circuito. (como no hay corriente circulando, no hay caída de voltaje, ver Ley de Ohm). Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0 (Ib =0)

- Región de saturación: Un transistor está saturado cuando:
corriente de colector = corriente de emisor = corriente máxima, (Ic = Ie = I máxima)

En este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentación del circuito y de los resistores conectados en el colector o el emisor o en ambos, ver ley de Ohm.

Este caso normalmente se presenta cuando 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 ni en su región de saturación ni en la región de corte entonces está en una región intermedia, la región activa.

En esta región la corriente de colector (Ic) depende principalmente de la corriente de base (Ib), de β (ganancia de corriente de un amplificador, es un dato del fabricante) y de las resistencias que hayan conectadas en el colector y emisor).

Esta región es la mas importante si lo que se desea es utilizar el transistor como un amplificador.

Configuraciones del transistor bipolar

Hay tres tipos de configuraciones típicas en los amplificadores con transistores, cada una de ellas con  características especiales que las hacen mejor para cierto tipo de aplicación. y se dice que el transistor no está conduciendo. Normalmente este caso se presenta cuando no hay corriente de base (Ib = 0)

- Amplificador emisor común
- Amplificador colector común
- Amplificador base común

Nota: Corriente de colector y corriente de emisor no son exactamente iguales, pero se toman como tal, debido a la pequeña diferencia que existe entre ellas, y que no afectan en casi nada a los circuitos hechos con transistores.

Transistor Bipolar (BJT) como interruptor

Cuando un transistor se utiliza en un circuito, el comportamiento que éste tenga dependerá de sus curvas características.

En el diagrama que se presenta hay varias curvas que representan la función de transferencia de Ic (corriente de colector) contra VCE (tensión colector – emisor) para varios valores de Ib (corriente de base).

Cuando el transistor se utiliza como amplificador, el punto de operación de éste se ubica sobre una de las líneas de las funciones de transferencia que están en la zona activa. (las líneas están asi horizontales).

Transistor en corte y saturación

Cuando un transistor se utiliza como interruptor o switch la corriente de base debe tener un valor para lograr que el transistor entre en corte y otro para que entre en saturación

- Un transistor en corte tiene una corriente de colector (Ic) mínima (prácticamente igual a cero) y un voltaje colector emisor VCE) máximo (casi igual al voltaje de alimentación). Ver la zona amarilla en l gráfico

- Un transistor en saturación tiene una corriente de colector (Ic) máxima y un voltaje colector emisor (VCE) casi nulo (cero oltios). Ver zona en verde en el gráfico

Para lograr que el transistor entre en corte, el valor de la corriente de base debe ser bajo o mejor aún, cero.

Para lograr que el transistor entre en saturación, el valor de la corriente de base debe calcularse dependiendo de la carga que se esté operando entre encendido y apagado (funcionamiento de interruptor)

Si se conoce cual es la corriente que necesita la carga para activarse (se supone un bombillo o foco), se tiene el valor de corriente que habrá de conducir el transistor cuando este en saturación y con el valor de la fuente de alimentación del circuito, se puede obtener la recta de carga. Ver gráfico anterior.

Esta recta de carga confirma que para que el transistor funcione en saturación, Ic debe ser máximo y VCE mínimo y para que esté en corte, Ic debe ser el mínimo y VCE el máximo. *

Diseño de interruptor o swich con transistor

Ejemplo de diseño de interruptor o switch con transistor bipolar

Calcular el valor de Rb (resistencia de base) que a de utilizarse, para que el circuito funcione como un interruptor (conectar y esconectar un voltaje de 12 voltios en A)

Datos:
- El voltaje de alimentación es de 12 Voltios
- Bombillo (foco) de 12 voltios, 1.2 watts (vatios)
- El B (beta) mínimo del transistor es de 200

Para poner el transistor en saturación

Obtener Ic:

Potencia del bombillo = P = VxI,  despejando I
I = Ic = P/V = 1.2 watts / 12 voltios = 100 mA

Se escoge el B menor (200) para asegurar de que el transistor se sature.

Corriente de base = Ib = Ic/B = 100 mA/200 = 0.5 mA.

Esta es la corriente de base necesaria para que el transistor se sature y encienda el bombillo.

Para calcular Rb se hace una malla en el circuito de la base: 12 V = Rb x Ib – Vbe

Rb = (12–0.7)/Ib = 11.3 V/0.5 mA = 2260 ohmios. Para efectos prácticos Rb = 2.2 Kohms

Nota: Vbe = 0.7 Voltios aproximadamente en un transistor de silicio.

Para poner el transistor en corte

Para que el bombillo se apague, basta que la corriente que pase a través de él (Ic) sea cero. Para lograrlo se hace que la corriente de base Ib sea cero (Ic = BxIb), poniendo el voltaje que alimenta el circuito de la base en cero (0 Voltios) *