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2.1.1 Diodos{28}

La electrónica actual se basa casi toda en la tecnología de estado sólido, o sea que la operación de los distintos dispositivos se consigue mediante el tratamiento apropiado de cristales de ciertos materiales del Grupo IV de la Tabla periódica{29}.

Un dispositivo básico en la tecnología electrónica es el diodo semiconductor, cuyo símbolo y aspecto físico se muestra en la Figura 2.1. Su composición es de silicio la gran mayoría de las veces con dos regiones contaminadas con impurezas (+) o zona P, y con impurezas (-) o zona N.

Gracias a su comportamiento basado en una juntura semiconductora PN, el diodo se comporta como un switch (on-off) gobernado por voltaje. Para entender esta operación se describe su característica voltaje-corriente (Figura 2.2).

Cuando se aplica voltaje positivo (+) en el ánodo y voltaje negativo (-) en el cátodo, el diodo conduce comportándose como un switch cerrado (en este caso presenta una resistencia baja). Esta región está a partir del valor Vd = 0,5 V (o valor de codo para el silicio). Cuando se aplican unas polaridades inversas a éstas, el diodo se comporta como un switch abierto (y e este caso presenta una resistencia alta).

La baja resistencia del diodo directo se interpreta por la curva a la derecha con una pendiente casi vertical, mientras que la alta resistencia del diodo inverso se representa por una pendiente casi horizontal a izquierda{30}.

La corriente en su polarización directa está dada fundamentalmente por el fenómeno de difusión, mientras que su polarización inversa está dada por el fenómeno de arrastre por campo eléctrico{31}.

Un diodo debe colocarse en condición estática llamada polarización, que corresponde en este caso un poco mas allá del voltaje de umbral, o sea cuando comienza a conducir (0,5 V). Una vez en esa condición, se puede aplicar una señal que module el voltaje alrededor de este punto. Para hacer esto hay que aplicar un voltaje DC y un voltaje de señal alrededor de una malla cerrada en la que una resistencia controla la corriente total.

El solo voltaje de la fuente suministra un voltaje que es repartido entre el diodo (que consume 0,6 V y se pone en conducción) y un voltaje en la resistencia que es congruente con la malla y el balance de Kirchhoff. El voltaje de señal modifica esta condición a un lado y otro (modulando).

Sin señal:

Con señal:

Gráficamente esto se puede representar mediante una recta de carga (Figura 2.4).

En la Figura se ve cómo la polarización fija 0,6 V en el diodo (y entonces está listo para conducir) y cómo la señal mueve la línea de carga produciendo la modulación.

La verificación experimental de este circuito se hace primero con la polarización, utilizando exclusivamente el multímetro en la función voltaje. En este punto se verifica que sobre el diodo hayan 0,6 voltios. Si ello es así, se dice que “el dispositivo está operando correctamente”. Para la verificación en señal, se utiliza exclusivamente el osciloscopio, verificando la condición de modulación (movimiento de la polarización a un lado y al otro, en función del tiempo).

Experimento No. 1

Realizar el montaje de la Figura 2.3 utilizando los materiales de la siguiente lista:

 Fuente DC a 5 V

 Resistencia en serie de 1KQ

 Generador a 1Khz dando una señal de 0,2 V pico a pico

Los diodos LED (Figura 2.5) se utilizan para señalización, ya que cuando están encendidos (estado On) dan una iluminación. Ellos se operan con voltajes de juntura de 2,5 Voltios y deben estar protegidos con una resistencia limitadora, de tal forma que se tengan corrientes que no superen los 5 mA, la luminosidad dependerá de la corriente (Figura 2.6).

A veces, es conveniente realizar un acople de tipo óptico y se utilizan diodos LED de fuentes de radiación (emisores) y algún elemento fotoreceptor como fotodiodo47 o fotocelda (Figura 2.7).

Experimento No. 2

Realizar el montaje de la Figura 2.7 utilizando los materiales de la siguiente lista:

 Cubierta sellada opaca

 Fotoemisor: diodo LED polarizado externamente

 Fotoreceptor: Fotocelda con carga y fuente externa

Realizar un circuito que varíe la iluminación del LED y se transmita esa variación a una cara al otro lado.

2.1.2 Transistor BJT: modelos de polarización y señal en emisor común

2.1.2.1 Fundamentos

Un transistor bipolar es un ensamble monolítico de dos junturas PN (diodos), tal como se muestra en la Figura 2.8.

El diodo base-emisor está directamente polarizado, o sea, está a 0,6 V, mientras que el diodo colector-base esta inversamente polarizado. La región de base es muy estrecha y el alto potencial positivo en la región de colector barre la corriente hacia ese terminal. Este comportamiento especial hace que una corriente se genere en el diodo base-emisor (llamado por esto diodo de control) y que esa corriente casi por entero se proyecte hacia el colector atravesando el diodo inverso. La corriente de base es muy pequeña, y por lo tanto la corriente de emisor es casi la misma corriente de colector{32}. El tipo de transistor mostrado es uno NPN (por la polaridad de los 2 diodos integrados, pero podría ser al contrario PNP){33}.

El transistor BJT se ha definido como un dispositivo de mando por potencia{34}, o sea que demanda tanto corriente como voltaje para su operación. Si se ve como un dispositivo mandado por corriente, se puede definir un parámetro de comando que es el BETA (Figura 2.9). Para todo efecto práctico, se supone que la corriente de colector es la misma que la corriente de emisor{35}.

Si se toma como un dispositivo gobernado por voltaje, el parámetro de gobierno es la transconductancia (Figura 2.10). En los diseños que se plantean es perfectamente valido plantear tanto un mando por corriente (y utilizar el beta) o un mando por voltaje y utilizar la transconductancia.

En el cálculo de circuitos transistorizados BJT, utilizando los modelos físicos, se utilizará tanto un mando por corriente (y se empleará el beta) o un mando por voltaje (y se empleará la transconductancia). La transconductancia igualmente se define como el inverso de la resistencia dinámica del diodo base-emisor, según se explicará detalladamente más adelante.

A. Polarización

Como se ha explicado, primero hay que polarizar un dispositivo, para que después pueda sobre él modularse una señal. La polarización de un transistor debe hacerse utilizando como concepto básico (de entrada) la realimentación negativa, que como se anotó sirve para disminuir las asimetrías en los procesos de creación de las señales eléctricas. De hecho, sin la utilización intensiva de la realimentación negativa, el transistor sería un mero objeto o curiosidad de laboratorio. Hoy se puede ver que es la base de la más explosiva tecnología creada por el hombre, ya que tiene que ver con el manejo de la información en sí misma.

La realimentación negativa se aplica en la resistencia de emisor, Re, la cual utiliza la corriente de emisor (Ie = Ic) como dato de entrada. Entonces, actúa corrigiendo de la siguiente manera: supóngase que se ha fijado un valor dado de Ie (1 mA por ejemplo). Si por cualquier motivo el voltaje base emisor aumenta y se da un crecimiento de la Ie por esta causa, entonces esa misma corriente pasa por Re generando un crecimiento del voltaje sobre esa resistencia. Como el voltaje está fijo desde el divisor de voltaje sobre la base, entonces un aumento en el voltaje de Re implica una disminución en el voltaje base-emisor:

Esto se describe en la la siguiente Figura:

Es claro, entonces, que el voltaje Vbe=0,6 Vde polarización directa puede variar (y de hecho varía según el transistor individual utilizado), induciendo una variación de Ie, pero si se pone a competir con el un voltaje en serie mayor (dependiente de Ie) este efecto nocivo se contrarresta. Este es un mecanismo de retroalimentacion negativa que se aplica en la polarización de un transitar bipolar (BJT)52.

Fundamento del control de la precisión del diseño de polarización

El diseño de polarización de una etapa de transistor Bipolar arranca entonces con la fijación de un voltaje sobre Re de Realimentación negativa, suficiente para asegurar un cierto porcentaje de control sobre el corrimiento (error) en Ie53. Este es un efecto que se mira desde dos puntos de vista simultáneos, a partir del concepto de error porcentual que tiene una interpretación intuitiva, directa y útil:

-La minimización del efecto de Ganancia de corriente del transistor:

Para efectuar un diseño confiable de un circuito transistorizado básico, es necesario garantizar de entrada que la variación de la ganancia básica del transistor, p, no tiene ningún peso en las variaciones indeseadas en el circuito. El análisis parte del circuito de la figura 2.12.

Se halla la variación de Ic con respecto solo a beta, partiendo de la expresión del divisor de corriente mostrado.

Dividiendo por Ic ambos miembros:

Siguiendo:

Si Rb<<βRe, entonces:

Hallando la expresión para Ic (o sea multiplicando ambos miembros por beta):

Reordenando para hallar variaciones relativas:

Dividiendo por Ic ambos miembros:

Si se aproxima la relación Ii/Ic a beta y si se toman no diferenciales sino incrementos y se multiplica cada miembro por cien, se tiene:

Ahora, si se escoge un transistor de alto beta (al menos 100) y si se permite una variación porcentual del 10% para beta, entonces la variación porcentual de Ic en función de la variación de beta será:

Se ve claro que si Rb igual a Re, una variación porcentual de beta solo se refleja en un 0,1% de la corriente de colector, o sea despreciable. Entonces si se mantiene baja Rb o alta Re{36}, se puede prescindir de considerar la variación de la polarización por cuenta de beta. Entonces, se puede considerar la otra fuente de inestabilidad en el circuito de transistor BJT como la única, asignándole todo el porcentaje de variación de Ic a esta causa. Como quiera que a veces no se conoce el p de un transistor, en lugar de aplicar este criterio se operará más fácil sobre uno que tome en cuenta la Ganancia de corriente, como se verá más adelante.

–Minimización de la variación Vbe en la polarización

Nótese cómo es de importante fijar inicialmente un voltaje dado sobre la base mediante el puente Rb1 y Rb2 (Figura 2.13). En la medida en que este voltaje sea constante, entonces la malla se podrá utilizar como medio de control de las variaciones de Ie). En el texto Amplificadores realimentados: diseño lineal avanzado se puede encontrar detallada la deducción de la fórmula de diseño para lograr un determinado porcentaje de error en Ie, para una polarización BJT, lo cual se repite aquí.

El puente de base se puede reemplazar por su equivalente Thevenin, como se muestra en la Figura 2.14.

La malla de entrada queda así (asumiendo que Ic=Ie):

Tomando incrementos (AVThev=0)

Se despeja el término correspondiente a AIC que es el que se va a poner a variar en función de AVbe (que se toma con valor absoluto):

Se dividen ambos miembros por Re:

Si el incremento de corriente de base se considera despreciable, se puede eliminar ese sumando:

Dividiendo cada miembro por Ic:

Multiplicando lado y lado por cien:

De aquí se despeja VRe, que es la cantidad de interés, pues AIc% se fija de entrada, de acuerdo con la tabla siguiente:

La siguiente tabla describe el porcentaje de variación de Ic según el tipo de circuito debido exclusivamente a variación de Vbe.

De esta forma, se pueden diseñar circuitos repetibles{37} que tengan en cuenta la variación del voltaje base emisor como fuente de la inestabilidad de la polarización de la corriente de base. Usualmente se asigna un corrimiento de 50 mV o máximo 100 mV, ya sea por variación térmica o por dispersión del valor en el proceso de fabricación.

Verificación de la polarización

La prueba (verificación) del circuito desde el punto de vista de la polarización se hace exclusivamente con el multímetro en la función voltaje{38}. Un primer punto clave es el voltaje base-emisor, que debe estar cercano a los 0,6 voltios{39}. Si este voltaje es correcto, entonces se dice que “el transistor esta operando correctamente”. Un segundo punto clave es el voltaje sobre la resistencia de realimentación negativa, Re. Si el voltaje allí medido corresponde con el diseño, se dice entonces que “el circuito esta operando correctamente”{40}.

B. Señal

Para calcular el progreso de una señal por un transistor BJT es necesario considerar una fuente de señal de voltaje actuando sobre el diodo de control (Figura 2.15). La resistencia del diodo de control es la pendiente de la curva Vd-Id del diodo y vale aproximadamente:

En este punto hay que remarcar que el proceso es una simple creación de una corriente al aplicar un voltaje externo (Vs) sobre una resistencia (rd). El diodo de control responde a este estímulo dando la corriente ie (como señal, o sea modulación):

Ahora, la corriente de emisor ie, como señal, atraviesa el diodo inverso (base-colector) y sobre la carga Rc. La corriente recorre Rc “al contrario” de cómo lo hace en rd.

Nótese que en la salida el voltaje Vo es de polaridad contraria a Vs, o sea, hay una inversión de fase entre entrada y salida. Por lo tanto, la Ganancia de voltaje se puede escribir para esta primera etapa de transistor como:

Consúltese la obra Amplificadores realimentados: diseño lineal avanzado para verificar como se obtiene esta ecuación. Es importante notar que en este circuito de señal no hay retroalimentación negativa (pues no existe ninguna resistencia en el emisor, Re). Verificar haciendo los cálculos pertinentes que si se pusiese una resistencia en serie con rd, entonces se tendría un valor de la Ganancia de voltaje como:

Si el valor de Re es mucho mayor que el de rd, entonces queda:

En el anterior esquema hay que notar que los modelos del transistor BJT no son basados en cuadripolos como es usual, más bien se utiliza un modelo “simbólico” que no es necesario traducir en ningún esquema de fuentes. Este tipo de aproximación, más física que matemática, se usa en ciertos países de Europa{41}. Si se detalla bien el esquema se podrá ver que se usa una linealidad (superposición) en el tiempo, o sea, eventos secuenciales, en contraposición a los modelos circuitales normales que se calculan con base en una linealidad (superposición) en el espacio, o sea ,eventos simultáneos descritos por el sistema de ecuaciones de malla o nodo.

Este enfoque físico, más que matemático, es muy apropiado para implantar un método de análisis de circuitos transistorizados o de operacional orientados al circuito, no al dispositivo (como es usual), y en el que la aplicación de las técnicas de realimentación negativa es directa y omnipresente. Por otro lado, hay que notar que el manejo de fases en este tipo de enfoque es absoluto, correspondiendo con una determinada realidad física. En el enfoque tradicional el manejo de las fases es relativo, en consonancia con la naturaleza matemática- circuital del enfoque.

Es muy importante recabar que la operación del transistor BJT es fundamentalmente no-óhmica, ya que al aumentar el nivel de la corriente a través del dispositivo (ie = ic) su voltaje decrece, o sea, no incrementa, como sería de esperar en un esquema regido por la Ley de Ohm. Esta circunstancia es la que permite al dispositivo amplificar señal, ya que los terminales colector-emisor del transistor se acomodan (como un fuelle) al voltaje que tome la resistencia de salida (Rc).

Por lo anterior, en el diseño de la polarización de una etapa de emisor común de BJT, es usual asignar un voltaje DC de aproximadamente el barrido de señal en la salida, o sea su voltaje pico a pico.

Así mismo, se plantea un criterio de selección de Rb=Rb1/Rb2 con base en la necesidad de minimizar el predominio de la Ganancia de corriente básica del transistor (beta), la cual debe ser un factor a no tener en cuenta. Esto se logra mediante la restricción de la Ganancia de corriente a valores menores de 10 en módulo. El estudiante deberá estudiar este tema en el texto Amplificadores realimentados: diseño lineal avanzado.

Nótese aquí como actúa también la resistencia Re de realimentación negativa, minimizando este predominio. Este hecho remarca la importancia de este resistor.

C. Efecto Early

Es necesario ahora estudiar un efecto de realimentación interna que existe en el transistor denominado Efecto Early. Este efecto es una modulación del ancho del sector de la base en función del voltaje de salida (Vce). En efecto, al crecer el potencial de salida (que arrastra cargas mayoritarias hacia el colector) el recorrido medio de cargas inyectadas desde el emisor es menor y el resultado neto es que para una determinada corriente de colector (Ic) se requiere menos corriente de base (Ib) para generarla. Este efecto, que se manifiesta como una realimentación interna del transistor{42}, se muestra gráficamente a continuación.

Se puede demostrar, utilizando la metodología desarrollada en el texto Amplificadores realimentados: diseño lineal avanzado, que es factible modelar la realimentación interna mediante el modelo simbólico ampliado para el BJT (fundamental y extendido) que se muestra en la Figura 2.18.

En la malla de entrada se tiene:

Entonces:

O sea que el voltaje de realimentación tiende a aumentar{43} la corriente de emisor (y la de colector) para un mismo voltaje de mando Vbe.

D. Comprobación del diseño

Para la comprobación del diseño desde el punto de vista de señal, se usa exclusivamente el osciloscopio62. Especialmente en la entrada y la salida, para conocer los valores de voltaje pico a pico, y así entonces poder conocer la Ganancia de voltaje63.

La operación del transistor, como se ha explicado, en donde actúa un solo dispositivo y el punto de operación está centrado en la Característica Gráfica se denomina Operación en Clase A (Figura 2.19).

En Operación Clase A, las ondas están centradas y normalmente son pequeñas, lo que reduce la distorsión no lineal, inherente a la operación de este tipo de dispositivos semiconductores. En la Figura se ve cómo un barrido en Vbe produce un barrido en Ib, otro en Ic y otro en Vce. En el desarrollo inicial de la técnica de transistores se utilizó profusamente el cálculo de circuitos a partir de este tipo de gráficas. En la actualidad rara vez se hace, pues las técnicas modernas de diseño, al basarse sobre métodos orientados al circuito, no al dispositivo, hacen obsoleto y superfluo este ejercicio

Ejemplo

Diseñar una etapa de BJT en emisor común que tenga una Ganancia de voltaje de -10 y use un transistor NPN alimentado de una fuente de +20 V Se requiere un barrido de voltaje a la salida de aproximadamente VoP-P = 5,0 V. Acéptese un corrimiento de voltaje base-emisor de 0,1 V por fabricación (o sea, la diferencia que puede haber de un ejemplar arbitrario de ese transistor a otro escogido también arbitrario). Selecciónese un miliamperio de Ic de polarización64. Tómese un corrimiento porcentual de corriente del 10% (circuito de prpósito general).

Solución:

Se usa un esquema de Puente en la base como se muestra en la Figura 2.20 y se asigna de entrada el voltaje de polarización en el diodo de control de 0,6 V

Se calcula primero el valor del voltaje sobre Re (resistencia de realimentación negativa) para un corrimiento porcentual de corriente del 10% en colector. La influencia de p se tiene en cuenta en la relación Rb/Re.

Como se toma Ic= 1 mA, entonces se tiene Re = 1,0 KQ{44}.

Se calcula en seguida la Resistencia Rb2 que se asume convergente con Rb2//Rb1 = Rb{45} teniendo en cuenta la ecuación (31).

Ahora, asumiendo un beta grande (de más de 100 como es usual en los transistores BJT modernos), se asume que la corriente por Rb1 es igual a la que circula por Rb2:

En seguida, se calcula Rb1, conociendo su voltaje y la corriente que lo atraviesa:

Ya se tiene, entonces, la malla de entrada, se calculará la malla de salida sabiendo que el voltaje Vce debe acoger aproximadamente el barrido de 5,0 VoP-P y que la Ganancia de voltaje debe ser de 10.

Se verifica primero Rc para que se tenga la ganancia definida según la ecuación (27).

Por lo tanto, VRc=10 V, y entonces en el transistor queda Vce=9 V, o sea, con una holgura de 4 voltios adicionales para empaquetar el barrido. Esta es una situación favorable que, sin embargo, no todas las veces se puede lograr y hay entonces que hacer cambios en el diseño de la operación de señal. Esta investigación se plantea usando la técnica de cubrir parte de Re con un capacitor para lograr la ganancia{46}. El estudiante debe investigar el siguiente laboratorio.