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GUA 5: TRANSISTORES
1. CLASIFICACIN DE TRANSISTORES
PNP
Bipolar
(BJT)
NPN
TRANSISTOR Canal P (JFET P)
Unin
Canal N (JFET N)
Efecto de campo
(FET)
Canal P (MOSFET P)
Metal Oxide -
Semiconductor
Canal N (MOSFET N)
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2. TRANSISTOR DE UNIN BIPOLAR (BJT)
Un transistor bipolar est formado por dos uniones PN en contraposicin. Fsicamente, el
transistor est constituido por tres regiones semiconductoras unidas a los pines o terminales
denominados emisor (E), base (B) y colector (C).
Existen 2 tipos de transistores bipolares:
- Transistor PNP
- Transistor NPN
Las simbologas son,
PNP NPN
a) Condiciones de funcionamiento
Las condiciones normales de funcionamiento de un transistor NPN se dan cuando el diodo base -
emisor se encuentra polarizado en directa y el diodo base - colector se encuentra polarizado en
inversa. En esta situacin gran parte de los electrones que fluyen del emisor a la base consiguen
atravesar sta, debido a su poco grosor y dbil dopado, y llegar al colector.
b) El transistor posee tres zonas de funcionamiento
- Zona de saturacin: El diodo colector est polarizado directamente y es transistor se
comporta como una pequea resistencia. En esta zona un aumento adicionar de la
corriente de base no provoca un aumento de la corriente de colector, sta depende
exclusivamente de la tensin entre emisor y colector. El transistor se asemeja en su
circuito emisor - colector a un interruptor cerrado.
- Zona activa: En este intervalo el transistor se comporta como una fuente de corriente,
determinada por la corriente de base. A pequeos aumentos de la corriente de base
corresponden grandes aumentos de la corriente de colector, de forma casi independiente
de la tensin entre emisor y colector. Para trabajar en esta zona el diodo base - emisor ha
de estar polarizado en directa, mientras que el diodo base - colector, ha de estar polarizado
en inversa.
C
E
B
C
E
B
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- Zona de corte: El hecho de hacer nula la corriente de base, es equivalente a mantener el
circuito base emisor abierto, en estas circunstancias la corriente de colector es
prcticamente nula y por ello se puede considerar el transistor en su circuito colector -
emisor como un interruptor abierto.
Los transistores se usan en su zona activa cuando se emplean como amplificador de seales. Las
zonas de corte y saturacin son tiles en circuitos digitales, vale decir, trabajan como interruptor
abierto o cerrado.
3. TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO (FET)
El transistor de efecto de campo (FET: Field Effect Transistor) es un semiconductor de tres
terminales llamados Drenador (D), Surtidor o fuente (S) y Compuerta (G), que se emplea para
una amplia variedad de aplicaciones que coinciden, en gran parte, con aquellas correspondientes
al transistor BJT.
Existen dos tipos de transistores de efecto de campo:
- El transistor de efecto de campo de unin (JFET).
- El transistor de efecto de campo de metal xido semiconductor (MOSFET).
Las simbologas son,
JFET MOSFET
CANAL N CANAL P CANAL N CANAL P
a) Diferencias entre el BJT y FET
La diferencia principal entre estas dos clases de transistores es:
- El transistor de unin bipolar (BJT) es un dispositivo operado por corriente, y requiere que
haya cambios de corriente en la base (I
B
) para producir cambios en la corriente de colector
(I
C
).
- El transistor de efecto de campo (FET) es controlado por tensin y los cambios en tensin
de la compuerta (V
GS
) permiten cambios en la corriente de drenador (I
D
).
G
D
S
G
D
S
G
D
S
G
D
S
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Otras diferencias son las siguientes:
As como hay transistores bipolares NPN y PNP, existen transistores de efecto de campo de canal
N y canal P. Sin embargo, es importante tener en cuenta que el transistor BJT es un dispositivo
bipolar (el prefijo bi revela que el nivel de conduccin es una funcin de dos portadores de carga,
electrones y huecos). El FET es un dispositivo unipolar que depende nicamente ya sea de la
conduccin por electrones (canal N) o por los huecos (canal P). El trmino "Efecto de campo" en
el nombre elegido amerita una explicacin. Todos estamos familiarizados con la habilidad de un
imn permanente de atraer limaduras de metal sin necesidad de un contacto fsico directo. El
campo magntico de un imn permanente acta sobre las limaduras y las atrae hacia el imn a
travs de un esfuerzo por parte de las lneas de flujo magntico, para mantenerlas a tan corta
distancia como sea posible. Para el FET se establece un campo elctrico por medio de las cargas
presentes que controlaran la trayectoria de conduccin del circuito de salida, sin necesidad de un
contacto directo entre la cantidad que controla y la que es controlada.
En general, los FET son ms estables con relacin a la temperatura que los BJT, y los FET son
normalmente ms pequeos en construccin que los BJT, hacindolos particularmente tiles en
circuitos integrados (IC). Sin embargo, las caractersticas de construccin de algunos FET pueden
hacerlos ms sensibles al manejo que los BJT.
Una de las caractersticas ms importantes del FET es su alta impedancia de entrada. En un nivel
de 1 hasta varios cientos de mega ohms (M), este dispositivo exceder con mucho los niveles
tpicos de resistencia de entrada de las configuraciones con transistores BJT, una caracterstica
muy importante en el diseo de sistemas amplificadores lineales de AC. Por otro lado, el
transistor BJT tiene una sensibilidad mucho mayor a los cambios en la seal aplicada. En otras
palabras, la variacin en la corriente de salida es por lo general mucho mayor para los BJT que
para los FET, con el mismo cambio en el voltaje. Por esta razn, las ganancias tpicas de voltaje
de AC para amplificadores BJT son mucho mayores que para FET. En general los FET son ms
estables con relacin a la temperatura que los BJT, y los FET son normalmente ms pequeos en
construccin que los BJT, hacindolos particularmente tiles en circuitos integrados (IC). Sin
embargo, las caractersticas de construccin de algunos FET pueden hacerlos ms sensibles al
manejo que los BJT.
4. ENCAPSULADOS MS COMUNES DE TRANSISTORES
TO 92 TO 220 TO 3
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ANEXO: DESARROLLO DE EJERCICIOS CON TRANSISTOR BIPOLAR NPN
1. Calcular los parmetros elctricos existentes en el circuito?
Aplicando ley de Kirchhoff de tensin tenemos:
a)
CE C
V k I V + O = 1 12
b) A I V k I V
B B
86 7 , 0 50 5 = + O =
Tambin se sabe que la ganancia de corriente es aproximadamente 100, por lo tanto:
c) mA A I
I
I
C
B
C
6 , 8 86 100 = = =
Reemplazando I
C
en ecuacin a) se tiene:
V V V k mA V
CE CE
4 , 3 1 6 , 8 12 = + O =
A continuacin se presenta el circuito con las respectivas corrientes de base y colector, as como
tambin el voltaje colector emisor.
2N2222
12 V
5 V
50kO
1kO
2N2222
12 V
5 V
DC 1e-009O
0.087m
A
+ -
DC 1e-009O
9.855m
A
+ -
50kO
1kO
DC 10MO
2.145 V
+
-
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2. Calcular la resistencia de base para que el transistor trabaje en saturacin (ON)?
En saturacin el V
CE
= 0V
Aplicando ley de Kirchhoff de tensin tenemos:
a) mA I V k I V
C C
12 0 1 12 = + O =
b) V R I V
B B
7 , 0 5 + =
c) A
mA
I
I
I
B
B
C
120
100
12
= = =
Reemplazando I
B
en ecuacin b) se tiene:
O = + = k R V R A V
B B
35 7 , 0 120 5
A continuacin se presenta el circuito con las respectivas corrientes de base y colector, as como
tambin el voltaje colector emisor.
3. Calcular la resistencia de base para que el transistor trabaje en corte (OFF)?
En corte el V
CE
= 12V
Aplicando ley de Kirchhoff de tensin tenemos:
a) A I V k I V
C C
0 12 1 12 = + O =
b) V R I V
B B
7 , 0 5 + =
c) A
A
I
I
I
B
B
C
0
100
0
= = =
Reemplazando I
B
en ecuacin b) se tiene:
2N2222
12 V
5 V
DC 1e-009O
0.123m
A
+ -
DC 1e-009O
0.011
A
+ -
35kO
1kO
DC 10MO
0.695 V
+
-
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7
O + =
B B
R V R A V 7 , 0 0 5
Esto quiere decir que R
B
es muy grande, tal como se puede ver en el siguiente circuito
esquemtico.
4. Calcular los parmetros elctricos existentes en el circuito con polarizacin por divisor de
voltaje?
Aplicando ley de Kirchhoff de tensin tenemos:
a) O + + O = k I V k I V
C CE C
1 3 , 3 12
b) O + O = k I I k I V
B
2 , 2 ) ( 10 12
1 1
2N2222
12 V
5 V
DC 1e-009O
0.888u
A
+ -
DC 1e-009O
0.000
A
+ -
100MO
1kO
DC 10MO
11.998 V
+
-
2N2222
1.0kO
2.2kO
3.3kO 10kO
12V
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c) O + = O k I V k I I
C B
1 7 , 0 2 , 2 ) (
1
d)
B C
B
C
I I
I
I
= = 100
Reemplazando I
C
de ecuacin d) en ecuacin c) tenemos:
e) O + = O k I V k I I
B B
1 100 7 , 0 2 , 2 ) (
1
Con ecuacin b) y ecuacin e) nos da el siguiente sistema de ecuaciones:
7 , 0 2 , 102 2 , 2
12 2 , 2 2 , 12
1
1
=
=
B
B
I k I k
I k I k
Resolviendo el sistema tenemos que A I 986
1
= e A I
B
4 , 14 =
Por lo tanto mA A I
C
44 , 1 4 , 14 100 = =
Reemplazando en ecuacin a) tenemos:
V V k mA V k mA V
CE CE
8 , 5 1 44 , 1 3 , 3 44 , 1 12 = O + + O =
A continuacin se indican los resultados segn programa de simulacin multisim 9.
2N2222
1.0kO
2.2kO
3.3kO 10kO
12V
DC 10MO
5.528 V
+
-
DC 1e-009O
9.770u
A
+ -
DC 1e-009O
1.503m A
+
- DC 1e-009O
0.985m A
+
-
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En adelante se presenta el circuito de un amplificador de seal alterna senoidal
El voltaje pico y frecuencia del generador es de10 mV y 1kHz
2N2222
1.0kO
2.2kO
3.3kO 10kO
10uF-POL
10uF-POL
10uF-POL
12V
A B
Ext Trig
+
+
_
_
+
_
Del grfico adjunto se
puede indicar que la
ganancia de voltaje del
amplificador es:
mV
mV
V
V
A
i
o
v
10
135 . 1
= =
5 , 113 =
v
A
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CONCLUCIONES SOBRE EL FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR
Del anlisis anterior (comparacin de clculos matemticos y programa de simulacin), se puede
comprobar lo siguiente:
El transistor cuando trabaja como interruptor cerrado (saturacin) el voltaje colector emisor
tiende a cero voltios, mientras que cuando trabaja como interruptor abierto (corte) el voltaje
colector emisor es cercano a la tensin de alimentacin. Por otra parte cuando el transistor trabaja
como amplificador el voltaje colector emisor es aproximadamente la mitad de la tensin de
alimentacin.
A continuacin se presentan los valores obtenidos por el programa de simulacin en donde se
acredita lo anteriormente sealado:
En saturacin V
CE
= 0,696 V
En corte V
CE
= 11,998 V
En amplificacin V
CE
= 5,528V
Adems podemos indicar que la ganancia de voltaje del amplificador A
v
= 113,5 la cual es muy
cercana a la ganancia de corriente considerada para los clculos = 100
Tambin podemos sealar en este apartado que el transistor NPN puede trabajar solamente si est
bien polarizado, esto es que el diodo base emisor debe estar en polarizacin directa, es este caso
el terminal de base positivo y el de emisor negativo. Con lo anterior se logra que exista una
pequea corriente en la base y con esto la existencia de corriente de colector.