El Transistor (Como y Porqué)

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 Es importante comprender qué significa polarizar un transistor. La polarización consiste en aplicar un voltaje y corriente adecuados a las bases, emisores y colectores de un transistor para que opere en una región específica de sus características. En el caso de un amplificador, lo habitual es que opere en la región activa. 

La polarización establece un punto de operación estable para el dispositivo, dicho punto determina la corriente de colector y el voltaje colector-emisor, y es fundamental para el funcionamiento correcto del transistor como amplificador. Para polarizar un Transistor NPN con 3.7 Voltios y Dos Resistencias debemos atender las siguientes consideraciones:

Configuración Básica

Una configuración común para polarizar un transistor NPN con dos resistencias es la configuración de emisor común. En este tipo de configuración, la señal de entrada se aplica a la base, la señal de salida se toma del colector y el emisor se conecta a tierra o a una tensión de referencia.

El tipo de transistor NPN dependerá de la aplicación específica, pero por la sencillez del circuito podemos probar con algunos transistores reciclados de artefactos eléctricos en desuso, el D13007, D13009, Tip 31C y  el 2N2222A son algunos populares.

Los valores de las resistencias dependerán del voltaje de alimentación (en este caso 3.7V), de la corriente de base deseada (Ib) y de las características del transistor(Beta y voltajes de consumo). La fuente de alimentación puede ser una batería 18650 o cualquier otra fuente de voltaje estable.

Debemos recalcar que cuando se utiliza una sola resistencia en la base para polarizar un transistor, se está creando un divisor de tensión simple con la unión base-emisor. Sin embargo, este método presenta dos desventajas:

1) La corriente de base y, por consiguiente, la corriente de colector, son muy sensibles a variaciones de temperatura . Esto se debe a que la tensión base-emisor varía con la temperatura presentando una gran inestabilidad térmica.

2)  La ganancia de corriente de un transistor puede variar considerablemente entre diferentes dispositivos del mismo tipo. Esto hace que la corriente de colector sea difícil de predecir con precisión, presentando  variaciones en la ganancia de corriente (ß).

Diseño del Circuito:

1) Un divisor de tensión para la base: este divisor de tensión establecerá el voltaje en la base. 

• una resistencia: entre la fuente de alimentación y la base del transistor.
• Otra resistencia: entre la base y tierra.

2) Resistencia en el emisor: una tercera resistencia (opcional) para estabilizar el punto de operación del transistor, se suele conectar entre el emisor y tierra, dicha resistencia ayuda a mantener la corriente del colector (Ic) relativamente constante ante variaciones en la temperatura características del transistor. La inclusión de una resistencia en el emisor proporciona varios beneficios:

Estabilización de la corriente de colector: La resistencia de emisor actúa como una re-alimentación negativa local, lo que ayuda a estabilizar la corriente de colector frente a variaciones de temperatura y de la ganancia de corriente.

Aumento de la impedancia de entrada: La resistencia de emisor aumenta la impedancia de entrada del transistor, lo que puede ser beneficioso en algunas aplicaciones.

Reduce la distorsión:  La resistencia de emisor ayuda a mejorar la linealidad, característica de transferencia del transistor, reduciendo la distorsión. 

3) Cálculo de los Valores de las Resistencias: el cálculo exacto de los valores de las resistencias dependerá de las características específicas del transistor y del punto de operación deseado: Corte, Saturación y Activación; este último es característico de los amplificadores.

4) Hoja de datos del transistor: Es fundamental consultar la hoja de datos del transistor para conocer sus características eléctricas, como la ganancia de corriente (ß), los valores de consumo Vbe, Vbc,  y las tensiones máximas permitidas.

5) Punto de operación: El punto de operación del transistor (corriente de colector y voltaje colector-emisor) determinará el rendimiento del amplificador. Es importante seleccionar un punto de operación que permita un amplio rango de señal de entrada sin saturación ni corte.

6) Estabilidad térmica: La polarización debe ser lo suficientemente estable para garantizar que el punto de operación no varíe significativamente con la temperatura.

 

Mejoras que podemos realizar a nuestro circuito

• Utilizar una configuración de emisor común con divisor de tensión en la base y resistencia en el emisor.
•  Seleccionar los valores de las resistencias de acuerdo a las características del transistor y al punto de operación deseado.
• Considerar el uso de un condensador de desacoplamiento en paralelo con la resistencia de emisor para mejorar la respuesta en frecuencia.
• La baja relación de amplificación al utilizar una sola resistencia en la base se debe a la falta de estabilidad y a la reducción de la tensión disponible para la unión base-emisor. La inclusión de una resistencia en el emisor es una práctica común y recomendada para mejorar el rendimiento de los amplificadores de transistor.

Supongamos que tenemos un transistor NPN con una ganancia de corriente ß = 100 y queremos una corriente de colector de 1mA. Podemos empezar con un divisor de tensión que establezca un voltaje de 0.7V en la base (tensión base-emisor típica para un transistor de silicio). A partir de ahí, podemos calcular los valores de las resistencias utilizando las leyes de Ohm y las relaciones entre las corrientes en un transistor bipolar.

Una vez calculados los valores de las resistencias, es recomendable simular el circuito. Esto permitirá verificar el funcionamiento del circuito y ajustar los valores de las resistencias si es necesario. Después de la simulación, se puede construir el circuito físicamente y realizar pruebas para verificar su funcionamiento real.

¿Porqué la eficiencia de mi circuito de amplificación es baja?

Caída de tensión en la resistencia de base: Una parte significativa de la tensión de alimentación se cae en la resistencia de base, lo que reduce la tensión disponible para la unión base-emisor y limita la corriente de base.

Efecto de la resistencia de emisor: La resistencia de emisor reduce la ganancia de corriente del transistor debido a la caída de tensión en ella.

Si bien es posible polarizar un transistor con una sola resistencia en la base, esta configuración no es la más adecuada para obtener una alta ganancia y una buena estabilidad. La inclusión de una resistencia en el emisor es fundamental para mejorar el rendimiento del amplificador.

Como Probar un Transistor NPN

Para probar un transistor NPN con una configuración Base Colector Emisor B - C - E con ayuda de un tester (en el modo diodo ) se realizan cuatro pruebas 

1) Estos pares deben dar continuidad:

• Primer par:   Base (-neg punta tester) y Colector (+pos punta tester)
• Segundo par:  Base (-neg punta tester)  y Emisor (+pos punta tester)

2) Estos pares No deben dar continuidad:

• Tercer par:   Base (+pos punta tester)  y Colector (-neg punta tester)
• Cuarto par: Base (+pos punta tester)  y  Emisor (-neg punta tester)