|
|
 |
|
1.3.
El transistor. |
|
| El
transistor és
un element format per la unió de tres vidres semiconductors,
que depenen del tipus, dona lloc als transistors NPN o
als PNP. Aquests vidres es connectaran a uns terminals
denominats emissor, base i col·lector. |
|
| |
La
característica principal del transistor és que la
seva resistència interna variarà segons el senyal d’entrada,
així que podem dir que el transistor regularà el pas de
corrent a traves seu i per tant, que podrà amplificar
proporcionalment a la sortida, el senyal que s’aplica a la
seva entrada. |
| Representació
simbòlica transistors PNP i NPN. |
|
| Circuits
característics de polarització del transistor. |
|
  |
Muntatge
en Emissor Comú (EC)
El
muntatge en emissor comú és el més emprat de tots, generalment
s’utilitza com a amplificador. |
  |
Muntatge
en Base Comuna (BC)
És
el menys emprat de tots, ja que la impedància d’entrada en
baixes freqüències és molt baixa. |
  |
Muntatge
en Col·lector Comú (EC)
El
muntatge en col·lector comú s’utilitza generalment com a adaptador
d’impedàncies. |
 |
Veiem
la següent figura i estudiem el funcionament del transistor
NPN que es anàleg al PNP. |
| Com
es pot veure a la figura la tensió d’alimentació del circuit
i la tensió de base son variables, el que implica que totes
les tensions i corrents del circuit podran tenir variacions.
Les
resistències de base RB i de col·lector RC
ens serviran per limitar els corrents màxim que circularan
pel transistor.
Haurem
de tenir en compte sis magnituds importants que influiran
en el funcionament del transistor. |
|
| 
Si
ens miren les corbes característiques del transistor podrem
deduir tres zones de funcionament. El transistor
pot treballar en un punt situat en qualsevol d’aquestes zones,
Direm punt de treball Q, aquell que ve definit
per un corrent de col·lector IC, un corrent
de base IB, i una tensió entre el col·lector
i emissor VCE. Aquest valors dependran del
circuit de polarització emprat. |
Tensions
i corrents en un transistor NPN.
On:
VCE
= Tensió entre col·lector i emissor.
VCB
= Tensió entre el col·lector i base
VBE
= Tensió entre la base i l’emissor
IB
= Intensitat del corrent de base
IC
= Intensitat del corrent de col·lector
IE
= Intensitat del corrent d’emissor. |
| A
més a més s’estableixen relacions molt important entre elles:
Aplicant
la 2ª llei de Kirchoff: VCE = VCB +
VBE
Aplicant
la 1ª llei de Kirchoff: IE = IB + IC
del
que deduïm que sempre es complirà que IE > IC
La
relació entre aquests corrents es dona:
a=IC
/ IE on a < 1,
generalment
tindrà valors entre 0,95 i 0,99. El
factor d’amplificació b o HFE
b
= IC / IB on deduïm que IC>>IB.
b
valdrà generalment entre 50 i 500
La
relació entre aquest factors serà:
 |
|
|
Direm
que el transistor es troba a la zona del tall o tallat,
quan IB = 0, el que provocarà que el corrent IC sigui tant
petit que el podrem despreciar i llavors direm que el transistor
es comporta com un interruptor obert.
Sempre
es complirà que IB=IE=IC=0
ja que IC » 0 i VCE = VCC |
Zona
del Tall |
|
Direm
que el transistor es troba a la zona lineal o actiu,
quan 1V < VCE < VCE màx
. aquí tindrem que per petits augments del corrent de base
IB, correspondran grans augments del corrent de
col·lector IC , independentment del valor de VCE.
Sempre
es complirà que IB = IC/b o IC
= IB·b i 0,2V < VCE < VCC |
Zona
activa o lineal. |
| Direm
que el transistor esta en la zona de saturació o saturat
quan un augment del corrent de base IB no provoca
un augment del corrent de col·lector IC. El
transistor es comporta com un interruptor tancat.
Sempre
es complirà que IB no és =a
IC/b o IC no és =a
IB·b i VCE <0,2 V. |
Zona
de Saturació |
| Si
el guany de corrent continu en muntatge Base comú a=0,98 i
el corrent que circula per l’emissor d’un transistor és de
30 mA. Calculeu els corrents de base i de col·lector i el
guany de corrent continu en muntatge emissor comú. |
Exemple
5. |
| Com
sabem que a=IC / IE podem deduir que
IC = aIE =0,98·30=29,4 mA
Com
IB=IE-IC=30mA-29,4mA=0,6mA
del que
podem deduir que b = IC / IB =29,4mA/0,6mA=49 |
|
| Si
la resistència de col·lector del circuit de la figura 1.37
val 300 ohms i el guany b val 49. Quan haurà de valer la resistència
de base per que la tensió de col·lector – emissor valgui 10V? |
Exemple
6. |
| 
|
El
primer que farem serà estudiar la malla d’alimentació i deduïm
que
VCC=VCE+ICRC
d’on
podrem obtenir:
|
| Circuits
típics de polarització de transistors. |
|
| Existeixen
dos maneres típiques de polaritzar un transistor en Emissor
Comú (EC), la primera consisteix en injectar un corrent
de base el suficientment gran com per polaritzar el transistor.
La segona s’aconsegueix emprant el circuit universal de polarització,
amb la mateixa finalitat. |
|
| Com
sempre plantejaren les equacions de les malles.
ens
caldrà saber el factor d’amplificació hFE o b.
El
corrent de base es determinarà a partir de:
Els
demés paràmetres del punt de treball Q seran:
IC=b·IB
VCE=VC-RC·IC |
Polarització
per corrent de base.
|
| Com sempre plantejaren les
equacions de les malles.
|
Circuit
Universal de Polarització.
|
| 1.3.1.
El transistor com a amplificador |
|
| Aplicant
aquest concepte al Transistor, si provoquem una variació
de la polarització de la Base, obtindrem una variació
molt més gran del corrent de Col·lector, i amb conseqüència
de la Tensió de Col·lector-Emissor.
Generalment,
utilitzant el Transistor com a Amplificador, les variacions
de la polarització de Base venen provocades per l'amplificació
d'una petita senyal de c.a. a l'entrada, que es desitja que
aparegui a la sortida augmentada de valor, però essent un
fidel reflex del senyal d'entrada. |
Entenem
per Amplificació el fet mitjançant el qual un senyal
a l'entrada d'un circuit, apareix amplificat a la sortida. |
|
 |
Es
usual representar un Amplificador mitjançant un Quadripol,
en el que tenim quatre borns de connexió, dels quals
dos d'entrada, ( per on entra el senyal ) ens
frenaran més o menys el pas del corrent que introduïm
al circuit,. això es degut a l'Impedància d'entrada
del circuit.
Ens
trobem també amb dos borns de sortida entre
els quals quedarà definida d'igual forma l'Impedància
de sortida. |
|
|
| Denominarem
entrada " in " (input ), a
la malla a la qual s'aplica un senyal que ve d'una font per
ésser amplificada. ( No confondre amb la font de c.c. que
alimenta el circuit.).
Denominarem
sortida " out ". ( output ), al
circuit del qual s'obté el senyal amplificat.
Direm
que hi ha distorsió del senyal quan es produeix una deformació
en el senyal de sortida respecte al d'entrada.
Entendrem
com voltatge d’entrada, " Vi " el
que ens dona el generador de senyal, i que serà el que s’amplificarà.
Com
corrent d’entrada " i i " tindrem
el que absorbeix l'amplificador i que ens subministra el generador.
Direm
impedància d’entrada " Zin " a
la resistència que " es veu " des de el generador
al connectar-lo a l'entrada de l'Amplificador. |
|
|
 |
Aquest
es un concepte que podem aclarir recordant que és
un divisor de tensió.
On
podem deduir immediatament que si V1
= V2 llavors tenim que R1
= R2.
i
per lo tant V1 = Vcc / 2
i
V2 = V cc / 2 |
|
|
| |
En
la realitat podem modelar l'amplificador amb una resistència
d'entrada Zin.
On
Vg és la senyal d'entrada, Rg és la resistència
interna del generador de senyal, i Zi és l'Impedància
d'entrada a l'Amplificador vista des de el generador.
|
|
|
Com
a tensió de sortida " Vo ".
entendrem la tensió alterna que es manifesta als
extrems de la carrega.
Com
a Corrent de sortida " io."
tindrem el corrent altern que circula per la carrega.
Es representa per
L’impedància
de sortida “Zo” és la resistència interna que
presenta Vo si s'utilitzes com a generador per altre
dispositiu.
Zo
= Vo / io .
|
|
|
| En
la Fig. 1.41. podem observar l'amplificador, substituït per
les seves impedàncies d'entrada i sortida
Av = Vo / Vi
Com
Guany de Corrent “Ai” tindrem la relació existent entre els
corrent de sortida i d'entrada.
Ai
= Ao / Ai.
El
Guany de Potència és el quocient entre la potència
de c.a. absorbida per la carrega i l'absorbida pel circuit
d'entrada de l'Amplificador.
Ap
= Po / Pi. o bé Ap = Vo Io / Vi ii.
El
Desfase que presenta la senyal de sortida respecte de la senyal
d'entrada el direm Relació de fase.
Com
a configuració denominarem la disposició que presenta
l'Amplificador front el senyal d'entrada i a de sortida, depenent
el seu nom del terminal comú a l'entrada i a la sortida.
Hi ha tres possibles configuracions: Emissor Comú ( E.C.),
Base Comú ( B.C.), i Col·lector Comú ( C.C.). |
|
Per
a facilitar l'anàlisi dels amplificadors es considera
el circuit com a dos independents: un per a c.c. i l'altre
per a c.a.. Això l'aconseguim aplicant el teorema de
la superposició, de la següent manera: |
|  |
|
Amplificador Emissor comú.
El
circuit de la figura representa un amplificador E.C.
Es pot observar que Vi s'aplica entre base i emissor
i la sortida entre col·lector i emissor. S'aprecia que el
tipus de polarització utilitzat es de divisor de tensió o
autopolaritzat. |
| Curtcircuitem
la Vg.
Considerem
els condensadors circuits oberts (la seva reactància es infinita
per a c.c.)
El
circuit resultant es el d'autopolarització en c.c.. |
Circuit
equivalent en c.c.:
|
| Curtcircuitem
Vcc.
Es
consideren els condensadors com a curtcircuits ideals, degut
a la seva baixa dificultat de pas del c.a., ja que considerem
les capacitats el suficient elevades.
Cal
modelar el transistor en la configuració per corrent alterna,
per això caldrà utilitzar els seu paràmetres híbrids. |
Equivalent
del circuit E.C. en c.a.. |
 |
D'aquesta
forma obtenim el circuit de la figura. |
| Per
a simplificar la complexitat en els càlculs utilitzarem el
model simplificat del transistor, es a dir només considerarem
"hie i hfe " com a valors relevants. D'aquesta
forma fem una aproximació prou valida pels càlculs, donat
que els altres paràmetres despreciats son de poca rellevància
en el resultat que perseguim.
Les
magnituds de tensió i de corrent en qualsevol punt del circuit
seran les resultants de la superposició ( suma) de les presents,
en el mateix instant, en cada un dels circuits equivalents
per a c.c. i per a c.a.. |
|
| Degut
a que la font de senyal entrega una Vi que s'aplica
al circuit paral·lel format per R1, R2,
i el transistor, deurem de conèixer la resistència que
presenta el transistor a la font d'entrada. Cal recordar que
la resistència de carrega RL deu d'estar
connectada al circuit. ( Figura 1.45. ).
Així
doncs podem dir que l'Impedància d'entrada és:
Per
a determinar pràcticament l'Impedància d'entrada cal seguir
les següents passes: |
Impedància
d'entrada. |
 |
En
primer lloc recordem tot l'exposat anteriorment, veiem que
si afegim una resistència variable Ra ( figura 1.44 )., per
utilitzar-la de divisor de tensió tenim: |
| Com
podem observar a la figura l'Impedància de sortida és la que
es veu des de els terminals de sortida. Cal recordar que els
terminals d'entrada es tenen que curtcircuitar posant el generador
de senyal a massa, hem de desconnectar la resistència de carrega
RL i substituir-la per una font de senyal. |
Impedància
de sortida. |
| |
Com
podem veure l'intensitat de base ib es nula, per lo que hfe
x ib el podem considerar un circuit obert llavors podem dir
que Zo = Rc.
Així
doncs tenim que:
 |
| La
tensió de sortida en funció del corrent de base és:
La
tensió d'entrada en funció del corrent de base és:
Així
doncs tenim que:
 |
Guany
de tensió.
Con
hem dit abans és la relació entre la tensió de sortida respecte
de la d'entrada. |
| 
|
Guany
de corrent.
Recordem
que és la relació entre el corrent de sortida respecte el
d'entrada. Si tenim que:
|
| És
el quocient entre la potència de c.a. absorbida per la carrega
i l'absorbida pel circuit d'entrada de l'Amplificador.
 |
Guany
de potència. |
| Relació
de fase.
La
gràfica de la fig.1.46 mostra les relacions entre les tensions
i els corrents en la configuració E.C.
Missió
del condensador d'emissor.
El
condensador C3 de la figura 1.42. rep el nom de
condensador de desacoblant d'emissor. fins ara l'hem
ignorat excepte per a considerar-lo com a un curtcircuit.
La
seva missió en circuit es la de donar una major estabilitat
al circuit quan disminueix el guany, i la d'augmentar l'Impedància
d'entrada a la base, ja que augmenta la resistència d'emissor
en c.a.
Generalment
XCE = Xc3 = RE /10 |
 |
| La
distorsió d’entrada és produïda pel diode d'emissor,
i es deu a la no linealitat de la seva corba característica.
La distorsió de sortida no es presenta a la sortida
en condicions normals de funcionament. on Vce i ic
segueixen fidelment les variacions de Vbe. Si per qualsevol
motiu el punt de repòs se desplaces, els valors més elevats
de Vi farien que el transistor entres en la zona de
saturació, on el corrent de col·lector ja no segueix les variacions
de l'entrada i provoca un retall dels valor màxims que deuria
de tenir ic donant com a resultat final una forma d'ona distorsionada.
De la mateixa forma Vce es veu distorsionada i igualment
Vo.
Si
el transistor entres en tall, on Vce no pot augmentar
més enllà de Vcc i Ic es fa zero, donant com a resultat
les formes d'ona rdistorsionades.
Quan
el senyal d'entrada és d'amplitud molt elevada, s'arriba a
tots dos tipus de distorsió ( per Tall i per saturació ),
oferint la sortida formes d'ona retallades per tots dos extrems,
encara en el cas de que el punt de treball estigui situat
en el centre de la recta.
|
Distorsió.
Si
al circuit E.C. el fem treballar en un punt estàtic pròxim
al centre de la seva recta de carrega i el senyal d'entrada
Vi te una amplitud relativament petita, es previsible que
el circuit no presenti un senyal de sortida distorsionat.
Però es convenient conèixer les possibles causes " fonts
" de la distorsió que pot presentar un circuit amplificador
E.C.
|
 |
El
circuit de la figura representa un amplificador C.C.
Com
podem veure a la fig. l'entrada s'aplica entre la base i el
col·lector. Aquest circuit també el podem denominar seguidor
d'emissor, degut a que la tensió a l'emissor segueix les variacions
de la tensió a la base. |
 |
El
circuit de la figura representa un amplificador B.C.
La
polarització del circuit és per divisor de tensió, El punt
de treball es fitxarà de la forma coneguda per la qual cosa
el model del circuit en c.c. no requereix un estudi addicional. |
| Si
al circuit de la figura 1.42. Vg=25mV, R1=R2=5KW, Rc=10KW, RL=5KW,
Rg=1KW, hie=10KW, hfe=100. Trobeu la tensió i el corrent d’entrada,
els de sortida i els guanys de tensió , corrent i potència. |
Exemple
7. |
|
|
|
També
sabem que ig
com
la V1=V2=Vhie tenim que:
de
la mateixa manera deduirem io i Vo
Sabem
que Zo=RC=10KW
Com
i
com 
i
Igualem
i substituïm i tenim que
i
per últim Vo serà:
només
ens queda de terminar els guanys
Av=Vo/Vi=1,66/0,01666=99,03
Ai=io/ii=0,332/0,00166=200
Ap=Av·Ai=19806 |
|
| 1.3.2.
El transistor bipolar en commutació. |
|
| Hi
ha moltes aplicacions en les que es necessari que un transistor
es comporti com un interruptor (per exemple les portes lògiques
). Quan el transistor treballa exclusivament a la zona
de tall o a la de saturació esta treballant en commutació.
Això vol dir que necessitarem un circuit que forçarà el funcionament
únicament en aquests dos estats. |
|
| Direm
que un transistor esta tallat, o passa a la zona del
tall, quan les polaritzacions emissor-base i col·lector-base
estan polaritzades inversament. Aquí es comporta com un
interruptor obert. |
Estat
del Tall. |
A
la figura podeu observar els dos tipus de transistors polaritzats
( en muntatge E.C.) per que estiguin en la zona del tall.
Per aconseguir això només cal que la tensió a la base respecte
l’emissor sigui el suficientment petita ( generalment inferior
a 0,7 V ) per que no circuli corrent de base. A la pràctica
el que es fa es aplicar una tensió negativa respecte l’emissor,
així ens assegurem la zona de treball i millorem el temps
de commutació entre zones de treball. Es complirà que:
IC=0,
IB=0, VCE=VCC, VBE<0,7V
Transistor
tallat. Circuit de polarització i característiques de sortida.
|
 |
Direm
que un transistor esta saturat, o passa a la zona de
saturació, quan les polaritzacions emissor-base i col·lector-base
estan polaritzades directament. Aquí es comporta com
un interruptor tancat.
|
Estat
de saturació. |
En
la fiugra podeu veure l’estat de saturació pels dos tipus
de transistors PNP i NPN.
Per
aconseguir això només cal que la tensió a la base respecte
l’emissor sigui el suficientment gran per que circuli un
corrent de base que garanteixi la saturació. A la pràctica
el que es fa es aplicar una tensió positiva adequada respecte
l’emissor, així ens assegurem la zona de treball i millorem
el temps de commutació entre zones de treball. Es complirà
que:
IC
£ b IB, VCE(sat)»0,2V, VBE
³ 0,7V
Transistor
saturat. Circuit de polarització i característiques de sortida.
|
 |
| Com
farem per què el transistor del circuit de la figura treballi
en commutació. Cal tenir en compte que VBE, VCE,
IC, quan el transistor està saturat valem 0,7V, 0,099V
i 12mA respectivament i que hFE val 115 |
Exemple
8. |
| Com
la tensió de col·lector emissor es tant petita respecte a la
d’alimentació podríem despreciar-la sense que impliqui cap problema
de disseny. Així
doncs tenim que:
Com
ja sabem es te que complir que:
Una
resistència inferior a aquest valor ens garantirà en funcionament
del circuit. |
 |
