Polarización Electrónica I

Contenido Punto de operación Polarización fija Circuito estabilizado en emisor Polarización por divisor de voltaje Polarización por retroalimentación de voltaje Otras configuraciones Diseño Conmutación Transistores pnp Estabilización de la polarización

Punto de operación

Polarización fija Aplicando LKV a la malla de base: VCC – IBRb – VBE = 0 IC + IB VCE + - - Se cumple que IC = bIB VCE = VCC – ICRc VBE

Ejemplo Sea b = 50 y Vcc = 12 V Tomamos VBE = 0.7 V IB = (12 – 0.7)/240k = 47 mA IC = 50IB = 2.35 mA VCE = 12 – (2.35mA)(2.2k) = 6.82 V VBC = VB – VC = 0.7 – 6.82 = 6.12 V

Saturación La corriente de saturación la encontramos cuando suponemos un corto entre colector y emisor. La corriente es:

Análisis de recta de carga Recta de carga para polarización fija. Para trazar la recta de carga una los puntos VCC/RC sobre el eje de corriente (IC) y VCC en el eje de voltaje (VCE),

Variación del punto Q Variación debida al incremento a la corriente de base.

Variación de la recta debido a la disminución de la resistencia de colector IC.

Variación de la recta debido a la disminución del voltaje de colector VCC.

Ejemplo Encontrar VCC, RB e RC.

Circuito de polarización estabilizado en emisor La mejora de la estabilización se logra agregando una resistencia en el emisor. IC + IB La resistencia de entrada es Ri dada por Ri = RB + (b + 1) RE VCE + - - VBE

En la malla de colector-emisor tenemos: VCE = VCC – IC(RC + RE) La corriente de saturación es IC = VCC/(RC + RE) IC + VCE - IE

Ejemplo Encontrar: IB, IC, VCE, VC, VE, VBC, VB

Análisis de estabilidad Polarización fija Beta Ib(mA) Ic(mA) Vce(V) 50 47.1 2.4 6.8 100 4.7 1.6 Cambio 0% 100% -76% 40.1 2.0 14.0 36.3 3.6 9.1 -9% 81% -35% Polarización de emisor

Saturación La corriente de saturación la encontramos cuando suponemos un corto entre colector y emisor. La corriente es:

Análisis de recta de carga Recta de carga para polarización de emisor. Para trazar la recta de carga una los puntos VCC/(RC + RE) sobre el eje de corriente (IC) y VCC en el eje de voltaje (VCE),

Circuito de polarización por divisor de voltaje La polarización se logra utilizando un divisor de voltaje en el circuito de base. IC + IB VCE + - - VBE

Análisis exacto El análisis del circuito de entrada se realiza sustituyendo el circuito de entrada por su equivalente de Thevenin. VCE = VCC – IC(RC + RE)

Ejemplo Encontrar VCE e IC en la siguiente red.

Análisis aproximado Si el valor de bRE > 10R2, se puede suponer IB = 0, además La fórmula de corriente de saturación y la recta de carga es igual que para la polarización por emisor.

Ejemplo Encontrar VCE e IC en la siguiente red usando las fórmulas aproximadas.

Ejercicio Encuentre el punto Q con las fórmulas exactas y aproximadas y compare resultados.

Polarización por retroalimentación de voltaje Si suponemos que IC’ = IC = bIB, llegamos a IC’ En general + IB IC VCE R’ = 0 polarización fija R’ = RE polarización en emisor R’ = (RC + RE) retroalimentación de colector VCE es la misma que para emisor y divisor. + - - VBE IE

Ejemplo Encontrar el punto Q. Repita para b = 135 IC = 1.07 mA VCE = 3.69 V IC = 1.2 mA VCE = 2.92 V

Ejemplo Encontrar IB y VC. IB = 35.5 mA VC = 9.22 V

Otras configuraciones Encontrar IC, VCE, VB, VC, VE y VBC. IC = 1.86 mA VCE = 11.26 V VB = 0.7 V VC = 11.26 V VE = 0 V VBC = -10.56 V

Encontrar VB y VC VC = -4.48 V VB = -8.3 V

Seguidor emisor. Encontrar VCE y IE IE = 4.16 mA VCE = 11.68 V

Base común. Encontrar VCE y IB IB = 45.8 mA VC = 3.4 V

Encontrar VC y VB VB = -11.59 V VC = 8.53 V

Diseño En el proceso de diseño se trata de determinar los valores de las componentes necesarias para lograr un cierto punto de operación, es decir, un conjunto de valores de voltajes y corrientes.

Ejemplo Determinar VCC, RB y RC para la siguiente red. Encontrar los valores estándar. VCC = 20 V RB = 482.5 kOhms RC = 2.5 kOhms

Ejemplo Si IC = 2 mA, VCE = 10 V determinar R1 y RC para la siguiente red. Encontrar los valores estándar. R1 = 86.52 kOhms RC = 2.8 kOhms

Ejemplo Si ICQ = ½ ICsat, ICsat = 8 mA, determinar RE, RB y RC para la siguiente red. Encontrar los valores estándar. RE = 1 kOhms RC = 2.2 kOhms RB = 639.8 kOhms

Ejemplo de diseño completo Para poder encontrar los valores de las resistencias, debemos hacer una elección de ingeniería. Como por ejemplo suponer que VE es un décimo de VCC. RE = 2 kOhms RC = 4 kOhms RB = 1,3 MOhms

Ejemplo de divisor Para poder encontrar los valores de las resistencias, debemos hacer una elección de ingeniería. Como por ejemplo suponer que VE es un décimo de VCC. Suponga también que bRE>=10R2 y calcule VB. RE = 200 Ohms RC = 1 kOhms R1 = 10.25 kOhms R2 = 1.6 kOhms

Conmutación En el diseño de una red de conmutación se debe asegurar que el transistor trabaje entre corte y saturación. El estado de corte se asegura con un voltaje de entrada igual a cero. La saturación se logra con una corriente de base lo suficientemente grande para que IB > ICsat/b.

Ejemplo

El transistor como interruptor El transistor puede usarse como un interruptor haciéndolo trabajar entre corte y saturación. Interruptor cerrado: transistor en saturación. Interruptor abierto: transistor en corte.

Tiempos de encendido y apagado td (delay time)= Es el que transcurre desde el instante en que se aplica la señal de entrada al dispositivo conmutador, hasta que la señal de salida alcanza el 10% de su valor final. tr (rise time) = Tiempo que emplea la señal de salida para evolucionar desde el 10% hasta el 90% de su valor final. ts (storage time) = Tiempo que transcurre desde que se quita la excitación de entrada y el instante en que la señal de salida baja al 90% de su valor inicial. tf (fall time) = Tiempo que emplea la señal de salida para evolucionar desde el 90% hasta el 10% de su valor inicial.

tencendido = tr + td, tapagado = ts + tf

Transistores pnp Todo lo dicho para transistores npn es válido para transistores pnp. Las únicas diferencias es la polaridad de las fuentes y el sentido de las corrientes en las diferentes configuraciones estudiadas.

ejemplo Encuentre VCE (-10.16 V).

Estabilización de la polarización La corriente de colector IC es sensible a los siguientes factores: b – Se incrementa al aumentar la temperatura |VBE| - decrece 7.5 mV por grado centígrado ICO – se duplica cada 10 grados centígrados

Cambio del punto Q

Factores de estabilidad Se definen los siguientes factores de estabilidad. El valor pequeño indica un circuito estable y un valor grande indica un circuito inestable.

S(ICO) polarización de emisor El análisis de la red da el siguiente valor para S(ICO) Si RB/RE >> (b+1) se simplifica a

Ejemplo Encontrar la estabilidad y el cambio en IC si DICO = 19.9 nA para RB/RE = a) 250, b) 10 y c) 0.01

S(ICO) polarización fija Multiplicando el numerador y el denominador de la expresión de estabilidad de polarización de emisor por RE y haciendo RE = 0 se obtiene Como puede verse la polarización fija tiene un factor de estabilidad muy pobre.

S(ICO) polarización por divisor El análisis de la red da el siguiente valor para S(ICO) Para mantener la estabilidad en valores adecuados es necesario mantener Rth/RE lo más pequeña posible.

S(ICO) polarización por retroalimentación El análisis de la red da el siguiente valor para S(ICO) Para mantener la estabilidad en valores adecuados es necesario mantener RB/RC lo más pequeña posible.

Efecto de IB en la estabilidad

S(VBE) El análisis de la red da el siguiente valor para S(VBE) Para polarización fija se simplifica a Si (1 + b) >> RB/RE, se puede simplificar la primera expresión a

Ejemplo Determine en factor de stabilidad S(VBE) y el cambio en IC desde 25ºC hasta 100ºC con DICO = -0.17 mV a) Polarización fija RB = 240 kOhm y b = 100 b) Polarización en emisor RB = 240 kOhm, RE = 1 kOhm y b = 100 c) Polarización en emisor RB = 47 kOhm, RE = 4.7 kOhm y b = 100