El Transistor Bipolar como Interruptor
Desde el punto de vista del tipo de señal manejada por los circuitos, estos pueden dividirse en circuitos analógicos y circuitos digitales. Los primeros son los más comunes en los sistemas de audio, mientras los segundos dominan el campo de los computadores. Las señales analógicas se distinguen porque pueden tomar valores que varían dentro de un amplio rango, como se muestra en la figura 1a. Las señales digitales, en cambio, solo pueden tomar uno de dos valores predeterminados, tal como lo muestra la figura 1b. La voz humana es el ejemplo más típico de una señal analógica. El encendido o apagado de una lámpara es un ejemplo de comportamiento digital.
El estado de saturación es la máxima conducción de corriente del colector. Se obtiene aplicando sobre la base una corriente mayor que la máxima necesaria para amplificar. La tensión Vce se hace entonces muy baja y el transistor actúa como un interruptor cerrado. En el estado de corte no circula corriente de base ni de colector, y la tensión Vce se hace igual a la tensión de alimentación.
Como regla de diseño, la corriente de base aplicada debe ser aproximadamente igual a la décima parte de la corriente en el colector. Con este valor se asegura una saturación dura, es decir, se garantiza la saturación aún en las peores condiciones de temperatura y ganancia del transistor.
El Transistor Bipolar como Amplificador
Una de las funciones más importantes del transistor es la amplificadora. Para realizarla únicamente se necesita proporcionarle unas adecuadas condiciones de trabajo, mediante unas determinadas tensiones de alimentación y un cierto número de componentes asociados.
Efecto de la Tensión Vee
El efecto de Vee es variar la cantidad de electrones que suministra el emisor. Al aumentar Vee, aumenta la corriente de emisor (Ie) y, por lo tanto, pasan más electrones al colector. Como consecuencia, aumenta la corriente de colector (Ic). Los electrones que no pasan al colector se combinan con los huecos de la base, aumentando la corriente de base (IB).
Al disminuir Vee, sucede el efecto contrario y las tres corrientes se reducen en la misma proporción. Todo lo anterior es una consecuencia directa de la relación Ie = Ib + Ic.
La señal de salida debe, por tanto, ser una réplica amplificada de la señal de entrada.
Circuito Básico como Amplificador
El circuito básico que permite utilizar un transistor (NPN, en este caso) como amplificador de voltaje se muestra en la figura 4. Observe que se ha intercalado una resistencia (RL) en el circuito colector y que se ha interrumpido el circuito emisor-base para inyectar la señal de entrada (VENT). Se supone que Vent es una señal alterna, esto es, puede adoptar valores positivos y negativos y que VBE se mantiene siempre por encima de la caída directa de voltaje de la unión B-E (0.7V).
La resistencia Rl se denomina resistencia de carga y su propósito es permitir que entre sus terminales se desarrolle una tensión de salida (Vsal) cuando la atraviesa la corriente de colector.
Efecto de la Señal de Entrada
El efecto de la señal de entrada (Vent) es superponerse a la tensión de polarización original (VBB) y variar el voltaje total de polarización entre base y emisor (VBE).
Se supone que Vent es una señal alterna, esto es, puede adoptar valores positivos y negativos y que VBE se mantiene siempre por encima de la caída directa de voltaje de la unión B-E (0.7V). Si la señal de entrada tiene la misma polaridad de VBB, la tensión de polarización vbe aumenta y por lo tanto aumentan Ie e Ic. Al aumentar Ic, aumenta la tensión de salida.
Si la polaridad de la señal de entrada es contraria a la de VBB, la tensión de polarización Vbe disminuye y, en consecuencia, disminuyen Ie e Ic. Como resultado, disminuye la tensión de salida.
Por lo tanto, cualquier cambio en la tensión de entrada produce un cambio correspondiente en la tensión de salida. Sin embargo, el cambio en esta última es mucho mayor.
La razón de esto es muy sencilla: la señal de entrada se aplica a una resistencia muy baja (la ofrecida por la unión B-E) mientras que la de salida se desarrolla sobre una resistencia muy alta (la de carga Rl).
El circuito descrito anteriormente es básicamente un amplificador de voltaje. En próximas secciones veremos como puede conectarse un transistor para proveer, además, amplificación de corriente y amplificación de potencia.
Curvas de Colector
Para visualizar el comportamiento del transistor se suele recurrir a las llamadas curvas de colector, que indican las relaciones entre voltajes y corrientes en un transistor particular. Estas curvas se obtienen generalmente mediante un aparato conocido como trazador de curvas. Como regla general, las curvas de colector muestran una gran variación de un transistor a otro del mismo tipo.
Curvas de Salida
Las curvas de salida expresan la corriente de colector (Ic) que se obtiene cuando se aplica una tensión colector-emisor (Vce) determinada y la corriente de base Ib se mantiene constante. Normalmente se dibuja una familia completa de curvas, para diferentes corrientes de base, escribiéndose sobre cada curva el valor de la corriente de base con la que se ha obtenido.
Puede observarse en las figuras que por encima de un cierto valor de tensión colector-emisor Vce (1) la corriente se mantiene prácticamente independiente de la tensión. Por debajo de este valor sucede justamente lo contrario: la corriente Ic aumenta rápidamente ante pequeños aumentos de la tensión.
La tensión Vce (l) es del orden de 0.5V. La zona de corriente casi constante es la denominada región activa, en ella la corriente de colector Ic no depende más que de la corriente de base Ib.
Potencia Máxima Disipada
La potencia máxima disipada, Pd, se obtiene multiplicando la corriente de colector Ic por la tensión colector-emisor. Se puede dibujar una curva de máxima disipación de potencia sobre las curvas características de salida, separando así la zona a partir de la cual no puede hacerse trabajar al transistor sin riesgo de dañarlo.
Los valores que se encuentran por encima de esta curva se dice que están en la región prohibida de operación del transistor. Los problemas más comunes (circuitos abiertos y cortocircuitos) se pueden detectar fácilmente utilizando un multímetro en la función de óhmetro.
Aplicaciones del Transistor Bipolar
De acuerdo a las características que presentan, los transistores bipolares se pueden clasificar en varios grupos con diferentes aplicaciones, entre ellos están los transistores para baja frecuencia (BF), transistores para alta frecuencia (AF), transistores de potencia, transistores de conmutación y de pequeña señal.
Transistores de Potencia
Los transistores de potencia para baja frecuencia soportan corrientes de colector del orden de varios amperios con tensiones colector-emisor de decenas de volts. Son capaces de disipar potencias por encima de los 100W siempre y cuando se monten sobre un disipador adecuado. Se encuentran generalmente en las etapas de salida de los equipos de audio.
Transistores de Conmutación
Un buen transistor de conmutación, por su parte, debe ser capaz de pasar de un estado a otro (corte a saturación o viceversa) en un tiempo extremadamente corto y poseer tensiones de saturación de colector muy próximas a cero. Son usados ampliamente en los computadores y equipos de audio digital.
Transistores de Pequeña Señal
Los transistores de pequeña señal se utilizan como primer paso en etapas amplificadoras, cuando la señal de entrada tiene un nivel muy bajo, como la proporcionada por algunos transductores (micrófonos, cápsulas fonocaptoras y otros sensores). Estos transistores trabajan con potencias inferiores a medio watt.