Operación en modo activo (BJT)

Cuando un transistor está en el estado completamente apagado (como un interruptor abierto), se dice que está corte . Por el contrario, cuando es completamente conductor entre el emisor y el colector (pasando tanta corriente a través del colector como lo permitan la fuente de alimentación y la carga del colector), se dice que está saturado . Estos son los dos modos de funcionamiento explorado hasta ahora en el uso del transistor como interruptor.

Sin embargo, los transistores bipolares no tienen por qué limitarse a estos dos modos extremos de funcionamiento. Como aprendimos en la sección anterior, la corriente base "abre una puerta" para una cantidad limitada de corriente a través del colector. Si este límite para la corriente controlada es mayor que cero pero menor que el máximo permitido por la fuente de alimentación y el circuito de carga, el transistor "estrangulará" la corriente del colector en un modo entre el corte y la saturación. Este modo de funcionamiento se denomina activo modo.

Modo de corte, saturación y activo

Una analogía automotriz para transistor el funcionamiento es el siguiente:

Modo de corte: es la condición de ausencia de fuerza motriz generada por las partes mecánicas del automóvil para hacer que se mueva. En el modo de corte, el freno está activado (corriente base cero), evitando el movimiento (corriente del colector).

Modo activo - es el automóvil circulando a una velocidad constante y controlada (corriente de colector constante y controlada) según lo indique el conductor.

S aturación - el automóvil sube una cuesta empinada que le impide ir tan rápido como el conductor desea. En otras palabras, un automóvil “saturado” es uno con el pedal del acelerador presionado (la corriente de base requiere más corriente de colector que la que puede proporcionar el circuito de carga / suministro de energía). Configuremos un circuito para la simulación SPICE para demostrar lo que sucede cuando un transistor está en su modo de operación activo. (Figura siguiente)

 simulación de transistor bipolar i1 0 1 dc 20u q1 2 1 0 mod1 vamímetro 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .modelo mod1 npn .dc v1 0 2 0,05 .plot dc i (vamímetro) .fin 

Circuito para simulación SPICE en "modo activo" y netlist.

"Q" es la designación de letra estándar para un transistor en un diagrama esquemático, al igual que "R" es para una resistencia y "C" es para un condensador. En este circuito, tenemos un transistor NPN alimentado por una batería (V1) y controlado por la corriente a través de una fuente de corriente (I1).

Una fuente de corriente es un dispositivo que emite una cantidad específica de corriente, generando tanto o tan poco voltaje en sus terminales para asegurar que la cantidad exacta de corriente la atraviese. Las fuentes de corriente son notoriamente difíciles de encontrar en la naturaleza (a diferencia de las fuentes de voltaje, que por el contrario intentan mantener un voltaje constante, emitiendo tanta o tan poca corriente en el cumplimiento de esa tarea), pero se pueden simular con una pequeña colección de componentes electrónicos. . Como veremos, los transistores mismos tienden a imitar el comportamiento de corriente constante de una fuente de corriente en su capacidad para regular actual a un valor fijo.

En la simulación SPICE, estableceremos la fuente de corriente (I1) en un valor constante de 20 µA, luego variaremos la fuente de voltaje (V1) en un rango de 0 a 2 voltios y monitorearemos cuánta corriente pasa a través de ella. La batería "ficticia" (vamímetro) en la figura anterior con su salida de 0 voltios sirve simplemente para proporcionarle a SPICE un elemento de circuito para medir la corriente.

Un voltaje de colector de barrido de 0 a 2 V con corriente base constante a 20 µA produce una corriente de colector constante de 2 mA en la región de saturación.

La corriente base constante de 20 µA establece un límite de corriente del colector de 2 mA, exactamente 100 veces más. Observe qué tan plana es la curva (Figura anterior) para la corriente del colector en el rango de voltaje de la batería de 0 a 2 voltios. La única excepción a esta gráfica sin rasgos distintivos es al principio, donde la batería aumenta de 0 voltios a 0,25 voltios. Allí, la corriente del colector aumenta rápidamente de 0 amperios a su límite de 2 mA.

Veamos qué sucede si variamos el voltaje de la batería en un rango más amplio, esta vez de 0 a 50 voltios. Mantendremos la corriente base estable en 20 µA. (Figura siguiente)

 simulación de transistor bipolar i1 0 1 dc 20u q1 2 1 0 mod1 vamímetro 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .modelo mod1 npn .dc v1 0 50 2 .plot dc i (vamímetro) .fin 

Voltaje de colector de barrido de 0 a 50 V con corriente base constante a 20 µA produce una corriente de colector constante de 2 mA.

¡Mismo resultado! La corriente del colector en la figura anterior se mantiene estable en 2 mA, aunque el voltaje de la batería (v1) varía de 0 a 50 voltios. A partir de nuestra simulación, parecería que el voltaje de colector a emisor tiene poco efecto sobre la corriente del colector, excepto a niveles muy bajos (justo por encima de 0 voltios). El transistor actúa como un regulador de corriente, permitiendo exactamente 2 mA a través del colector y nada más.

Ahora veamos qué sucede si aumentamos la corriente de control (I1) de 20 µA a 75 µA, una vez más barriendo el voltaje de la batería (V1) de 0 a 50 voltios y graficando la corriente del colector en la Figura siguiente.

 simulación de transistor bipolar i1 0 1 dc 75u q1 2 1 0 mod1 vamímetro 3 2 dc 0 v1 3 0 dc .modelo mod1 npn .dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u .plot dc i (vamímetro) .fin 

El voltaje de barrido del colector de 0 a 50 V (.dc v1 0 50 2) con corriente base constante a 75 µA produce una corriente de colector constante de 7,5 mA. Otras curvas se generan mediante el barrido de corriente (i1 15u 75u 15u) en la declaración de análisis de CC (.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u).

No es sorprendente que SPICE nos proporcione una gráfica similar:una línea plana, que se mantiene estable esta vez en 7.5 mA —exactamente 100 veces la corriente base— en el rango de voltajes de la batería desde poco más de 0 voltios hasta 50 voltios. Parece que la corriente base es el factor decisivo para la corriente del colector, siendo irrelevante el voltaje de la batería V1 siempre que esté por encima de un cierto nivel mínimo.

Esta relación voltaje / corriente es completamente diferente de lo que estamos acostumbrados a ver a través de una resistencia. Con una resistencia, la corriente aumenta linealmente a medida que aumenta el voltaje a través de ella. Aquí, con un transistor, la corriente del emisor al colector permanece limitada a un valor máximo fijo sin importar qué tan alto aumente el voltaje entre el emisor y el colector.

A menudo, es útil superponer varios gráficos de corriente / voltaje de colector para diferentes corrientes de base en el mismo gráfico que en la figura siguiente. Una colección de curvas como esta (una curva trazada para cada nivel distinto de corriente de base) para un transistor en particular se llama las curvas características del transistor. :

Corriente de colector versus voltaje de colector-emisor para varias corrientes de base.

Cada curva en el gráfico refleja la corriente de colector del transistor, trazada sobre un rango de voltajes de colector a emisor, para una determinada cantidad de corriente base. Dado que un transistor tiende a actuar como un regulador de corriente, limitando la corriente del colector a una proporción establecida por la corriente base, es útil expresar esta proporción como una medida estándar de rendimiento del transistor. Específicamente, la relación entre la corriente del colector y la corriente base se conoce como Beta ratio (simbolizado por la letra griega β):

A veces, la proporción β se designa como "h fe , ” una etiqueta utilizada en una rama del análisis matemático de semiconductores conocida como " parámetros híbridos ”Que se esfuerza por lograr predicciones precisas del rendimiento del transistor con ecuaciones detalladas. Las variables de parámetros híbridos son muchas, pero cada una está etiquetada con la letra general “h” y un subíndice específico. La variable "hfe" es solo otra forma (estandarizada) de expresar la relación entre la corriente del colector y la corriente base, y es intercambiable con "β". La relación β no tiene unidades.

β para cualquier transistor está determinado por su diseño:no se puede alterar después de la fabricación. Es raro tener dos transistores del mismo diseño que coincidan exactamente debido a las variables físicas que afectan a β. Si el diseño de un circuito se basa en relaciones β iguales entre varios transistores, se pueden comprar "conjuntos combinados" de transistores a un costo adicional. Sin embargo, generalmente se considera una mala práctica de diseño diseñar circuitos con tales dependencias.

El β de un transistor no permanece estable en todas las condiciones de funcionamiento . Para un transistor real, la relación β puede variar en un factor de más de 3 dentro de sus límites de corriente de funcionamiento. Por ejemplo, un transistor con un β anunciado de 50 puede probar con relaciones Ic / Ib tan bajas como 30 y tan altas como 100, dependiendo de la cantidad de corriente del colector, la temperatura del transistor y la frecuencia de la señal amplificada, entre otros factores. Para propósitos de tutoría, es adecuado asumir una β constante para cualquier transistor dado; ¡date cuenta de que la vida real no es tan simple!

A veces es útil para la comprensión “modelar” componentes electrónicos complejos con una colección de componentes más simples y mejor entendidos. El modelo de la figura siguiente se utiliza en muchos textos de introducción a la electrónica.

Modelo de transistor de diodo-resistor elemental.

Este modelo proyecta el transistor como una combinación de diodo y reóstato (resistencia variable). La corriente a través del diodo base-emisor controla la resistencia del reóstato colector-emisor (como lo implica la línea discontinua que conecta los dos componentes), controlando así la corriente del colector. Un transistor NPN se modela en la figura que se muestra, pero un transistor PNP sería solo ligeramente diferente (solo el diodo emisor de base estaría invertido).

Este modelo logra ilustrar el concepto básico de amplificación de transistor:cómo la señal de corriente base puede ejercer control sobre la corriente del colector. Sin embargo, el modelo comunica mal la noción de una cantidad determinada de resistencia colector-emisor para una cantidad determinada de corriente base. Si esto fuera cierto, el transistor no regularía corriente de colector en absoluto como muestran las curvas características. En lugar de que las curvas de corriente del colector se aplanen después de su breve aumento a medida que aumenta el voltaje del colector-emisor, la corriente del colector sería directamente proporcional al voltaje del colector-emisor, aumentando constantemente en línea recta en el gráfico.

En la siguiente figura se muestra un mejor modelo de transistor, que a menudo se ve en libros de texto más avanzados.

Modelo de fuente actual de transistor.

Proyecta el transistor como una combinación de un diodo y una fuente de corriente, la salida de la fuente de corriente se establece en un múltiplo (relación β) de la corriente base. Este modelo es mucho más preciso al describir las verdaderas características de entrada / salida de un transistor:la corriente de base establece una cierta cantidad de corriente del colector. , en lugar de una cierta cantidad de resistencia colector-emisor como implica el primer modelo. Además, este modelo se ve favorecido al realizar análisis de red en circuitos de transistores, siendo la fuente de corriente un componente teórico bien entendido. Desafortunadamente, usar una fuente de corriente para modelar el comportamiento de control de corriente del transistor puede ser engañoso:de ninguna manera el transistor actuará como una fuente de energía eléctrica. La fuente de corriente no modela el hecho de que su fuente de energía es una fuente de alimentación externa, similar a un amplificador.

REVISAR:

• Se dice que un transistor está en su activo modo si está operando en algún lugar entre completamente encendido (saturado) y completamente apagado (corte).
• La corriente base regula la corriente del colector. Por regular , queremos decir que no puede existir más corriente de colector que la permitida por la corriente base.
• La relación entre la corriente del colector y la corriente base se llama "Beta" (β) o "hfe".
• las relaciones β son diferentes para cada transistor, y
• β cambios para diferentes condiciones de funcionamiento.

HOJAS DE TRABAJO RELACIONADAS:

• Hoja de trabajo de transistores de unión bipolar en modo activo