Bipolar Junction Transistor: BJT

El transistor de unión bipolar es el transistor más común que podemos encontrar, a su vez de ser el más sencillo de entender. Hay dos tipos que explicaré luego, NPN y PNP, debido a su orden interno de semiconductores tipo P o N. El NPN es:

Y el PNP:

pnpsym

Explicando a grandes rasgos, sus tres pines son base (b), colector (c), y emisor (c). La unión base-emisor se comporta como un diodo, es decir, tiene una tensión de codo que se denomina en éste caso tensión base-emisor (Vbe). En el NPN el cátodo está en el emisor y en el PNP está en la base, de forma que la corriente va en el sentido de la flecha. Proporcionalmente con la cantidad de corriente que ingresa (o sale) de la base, atraviesa una corriente de colector a emisor (Ic e Ie) en los NPN y a la inversa en los PNP. Ésta proporción viene dada por la ganancia del transistor, comúnmente llamada Hfe o beta, aquí B, pudiendo distinguirse entre HFE cuando es en continua y Hfe en alterna. La proporción es la siguiente:

Ic= B*Ib

Tan sencillo. Pero la corriente que circula por la base no va a la nada. Encontramos que en el emisor la corriente es:

Ie = Ib + Ic = Ib + B*Ib

Cuando la ganancia (B) es mayor o igual a 100, se considera que la corriente por el emisor es igual a la corriente por el colector. Pero los transistores no se comportan de forma lineal. Analicemos las curvas de entrada y salida de un transistor:

Como se puede ver en ésta segunda imagen, el transistor tiene distintas curvas a la salida dependiendo de la corriente de base, que son lineales en cierta zona, es decir, la ganancia es estable, es la zona de conducción. Sin embargo si nos vamos a la izquierda, la ganancia ya no es lineal. Es la zona de saturación, cuando puede pasar mayor corriente. Y si nos vamos abajo, donde la corriente de base es 0, o casi, está en corte, no pasa corriente entre colector y emisor. En éstos puntos las fórmulas antes mostradas ya no sirven.

Y bien, ¿Cómo hace variar el transistor la corriente de colector-emisor? Resulta que la unión colector-emisor se comporta como una fuente de tensión variable por Ib, con el positivo en el colector. En conducción, el transistor BJT se comporta como una fuente de corriente controlada por corriente. 

Y bien, debido a la corriente que pase, se creará una tensión entre colector y emisor, Vce, que si es mayor a la tensión colector-emisor de saturación, el transistor estará en conducción. Si es menor, estará en saturación y por lo tanto se fijará Vce como Vcesat y se recalculará la corriente Ice. Vcesat viene dada por las hojas de fabricantes y es un dato importante del transistor. Vamos a ver un ejemplo de aplicación de circuito de polarización con 3 resistencias:

t1

Vamos a suponer que Vb=5V, Vcc=12V. Los datos del transistor son: B=100, Vbe=0.7V, Vcesat=0.2V.

Se empieza a analizar por la base. Ojo al dato: tenemos una resistencia en el emisor que también afecta a la corriente que pasa por la base, porque ésta va a desembocar en el emisor. Entonces:

Vb - Ib*Rb - Vbe - Ie*Re = 0

Como la B es de 100, supondremos que Ie = Ic = B*Ib

Vb - Ib*Rb - Vbe - B*Re*Ib = 0

De aquí despejamos Ib, que da Ib = 632.35 uA. Y obtenemos la corriente de colector:

Ic = 100*632.35 uA = 6.323 mA

Ahora analizamos la rama colector emisor:

Vcc - Ic*Rc - Vce - Ic*Re = 0

Podemos obtener directamente la Vce, que da Vce = 5.677 V

Éste resultado es mayor que Vcesat, por lo que afirmamos nuestra hipótesis de que el transistor está en conducción, y por lo tanto hemos obtenido el punto de polarización Q(Ib,Ic,Vce) = (632.35 uA, 6.323 mA, 5.677 V)

En caso de que variásemos Vb a 0 o tensiones negativas, la corriente de base sería 0 y por lo tanto el transistor estaría en corte. No habría corriente de colector y por lo tanto la Vce sería igual a Vcc.

En caso de que variásemos Vb o B (o cualquier parámetro de resistencia) a valores suficientemente altos como para que la tensión Vce saliese menor que Vcesat, afirmaríamos que el transistor está en saturación y que Vce = Vcesat. Por lo tanto Vce pasa a ser un valor conocido y la incógnita es Ic.

En cuanto a la configuración, se puede encontrar con dos, tres, o cuatro resistencias, siendo ésta última la llamada "de polarización automática", que es más estable frente a los cambios de B. Es decir, si yo cambio el transistor por otro de diferente B, el punto de polarización no varía tanto como si estuviera en cualquier otra configuración. La de 4 resistencias es tal que:

t2

Tomando cada resistencia el valor que le convenga. En éste caso lo que hacemos es analizar sacando un equivalente de Thevenin desde la base, es decir, sacamos Vb conforme al divisor de tensión de R3 y R4, y luego la Rb, que es la equivalente a R3 y R4 en paralelo. Luego se continúa como he mostrado antes con 3 resistencias.

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