Dominando el Polarizado de BJT: Técnicas, Consejos y Solución de Problemas para Amplificación Confiable

Los circuitos electrónicos con capacidades de amplificación pueden funcionar más eficientemente si el BJT sufre polarización. Generalmente, este proceso implica aplicar un voltaje externo a sus terminales que conmuta el dispositivo al estado deseado. Muchos diseños de circuito comúnmente presentan resistencias para distribuir niveles correctos de corriente y voltaje de entrada. Las variadas técnicas de polarización de BJT proporcionan características específicas, mientras que otras previenen la fuga térmica. En efecto, esto los hace muy útiles para aplicaciones de amplificación.

Este artículo te guiará a través de los fundamentos y las implementaciones de circuitos de polarización de BJT. ¡Así que echemos un vistazo!

¿Qué es la Polarización de BJT?

Esta imagen muestra un transistor de unión bipolar.

Fuente: Wikimedia Commons

En términos generales, la polarización de transistor implica aplicar una cantidad específica de voltaje a los terminales de base y emisor de un BJT, mejorando su eficiencia y rendimiento. En este caso, el proceso permite que un transistor amplifique una señal de entrada AC en un circuito de transistor. Así, polarizar el BJT configurará la unión emisor-base en un estado polarizado directamente. Mientras tanto, la intersección base-colector se configurará en un estado polarizado inversamente. Así, operará en la región activa.

La polarización de BJT dependerá de resistencias para distribuir el nivel de voltaje correcto.

Fuente: Wikimedia Commons

Además, la resistencia del colector debería tener una clasificación que permita que el voltaje colector-emisor exceda 0.5V para transistores de germanio y 1V para transistores de silicio.

Beta BJT

Imagen mostrando el proceso de flujo de corriente en un transistor de unión bipolar.

Fuente: Wikimedia Commons

Beta (β) se refiere a la sensibilidad general del dispositivo entre la corriente de base y su nivel de amplificación de colector. También puede identificar la ganancia del dispositivo. Por ejemplo, la corriente de base de un transistor se amplificará por 100 si el valor β coincide con ese valor. Por supuesto, este factor se genera mientras el transistor de unión bipolar opera en el estado activo directo.

Circuitos de Polarización de BJT

Incluimos algunos ejemplos de circuitos de polarización de BJT, útiles para propósitos de amplificación.

Polarización Fija

Diagrama de circuito de polarización fija.

Como puedes ver en el diagrama de circuito, una resistencia de base (R_B) se conecta a V_CC y al terminal de base. En este caso, una caída de voltaje a través de R_B causa que la unión base-emisor se establezca en un estado polarizado directamente. La siguiente fórmula determina el valor de IB.

Tanto V_CC como V_BE tienen un valor fijo en el tipo de circuito de polarización fija. Mientras tanto, R_B permanece constante. Como resultado, I_B también tendrá un valor continuo, llevando a un punto de operación limitado. Así, este tipo de polarización proporciona mala estabilidad térmica debido a su factor de estabilidad β+1.

Esto ocurre debido a la imprevisibilidad del parámetro β del transistor. También puede diferir ampliamente, especialmente con un modelo y tipo de transistor similar. La I_C también se alterará cuando β varíe. Por lo tanto, este tipo de polarización dependiente de β podría experimentar cambios en el punto de operación debido al atributo del transistor y modificaciones de temperatura.

En general, el circuito de polarización de base fija depende de componentes mínimos con un diseño simple. Al ajustar el valor de RB en el circuito, los usuarios pueden cambiar el punto de operación de la región activa. Además, la fuente no tiene carga ya que la unión base-emisor no presenta resistencias. Como resultado, este circuito tiene aplicaciones de conmutación.

Las siguientes ecuaciones referencian el voltaje y la corriente para este circuito:

Polarización Colector-a-Base

El diagrama de circuito representa un diseño de polarización colector-a-base.

En esta configuración de polarización colector-a-base, dos resistencias suministran la región activa del transistor con polarización DC a pesar del valor de β. Dado que la polarización DC proviene del voltaje del colector (V_C), asegura una excelente estabilidad.

En lugar del riel de voltaje de alimentación (V_CC), la resistencia de polarización de base (R_B) se conecta al colector (C) del transistor. Un aumento en la corriente de colector causará que el voltaje del colector disminuya. En efecto, la excitación de base se reduce, disminuyendo la corriente de colector. Esto asegura que el punto Q del transistor se mantenga fijo. Así, la técnica de polarización por retroalimentación de colector genera retroalimentación negativa alrededor del transistor. Eso ocurre porque RB toma entrada directa de la salida, distribuyéndola al terminal de entrada.

Una caída de voltaje a través de la resistencia de carga (R_L) produce el voltaje de polarización. Así que aumentar la corriente de carga resultará en una caída de voltaje significativa a través de la resistencia de carga. Mientras tanto, conduce a un voltaje de colector disminuido. Después, la corriente de base (I_B) caerá, revirtiendo I_C a su valor original.

Disminuir la corriente de colector produce una reacción inversa. En ese caso, este enfoque de polarización se refiere a auto-polarización. En general, este diseño proporciona excelentes aplicaciones para muchos proyectos de amplificadores.

Puedes encontrar la ecuación de circuito para polarización colector-a-base a continuación:

Polarización Fija con Resistencia de Emisor

Diagrama de circuito de polarización fija con resistencia de emisor.

El diagrama de circuito muestra una red de polarización fija conectada al emisor del transistor con una resistencia externa (R_E). La corriente de emisor aumenta si V_BE permanece constante mientras la temperatura sube. Pero, una corriente de emisor aumentada (I_E) causa un aumento en el voltaje de emisor (V_E = I_ER_E), llevando a una reducción de voltaje a través de la resistencia de base (R_B).

La ecuación a continuación determina el voltaje a través de la resistencia de base.

Mientras tanto, puedes determinar la corriente de base a través de la siguiente fórmula:

Esto disminuye la corriente de base, resultando en corriente de colector reducida ya que IC coincide con IB. La fórmula IC = α IE (α igual a 1) define la corriente de colector y emisor. Como resultado, esto contrarresta el aumento de corriente de emisor por temperatura, asegurando un punto de operación estable. Reemplazar el transistor con un tipo alternativo puede alterar el valor de I_C. Usar la misma técnica que arriba anulará cualquier cambio, manteniendo un punto de operación persistente. Por lo tanto, esta red de polarización proporciona soporte mejorado sobre la red de polarización de base fija.

En general, el circuito utiliza esta ecuación:

Polarización Divisor de Voltaje o Divisor de Potencial

Diagrama de circuito divisor de voltaje.

Como puedes ver, dos resistencias externas, R₁ y R₂, se integran en este circuito para crear un divisor de voltaje. Esta configuración permite que el voltaje generado a través de R₂ establezca la unión del emisor del transistor a un estado de polarización directa. En general, la corriente que fluye a través de R₂ será diez veces mayor que la corriente de base necesaria.

Generalmente, este tipo de polarización significa que las variaciones que ocurren en V_BE y β no afectarán I_C, lo que, a su vez, proporciona máxima estabilidad térmica. Un aumento de temperatura causará que IC y IE aumenten. Esto resulta en un voltaje de emisor más alto, resultando en menor voltaje base-emisor. Después, esto lleva a una disminución de la corriente de base (I_B), revirtiendo I_C a su estado inicial.

Independientemente de la ganancia de amplificador disminuida, este circuito de polarización tiene aplicaciones populares debido a la estabilidad maximizada.

El circuito se basa en la siguiente fórmula:

Polarización de Emisor

Diagrama de circuito mostrando un diseño de polarización de emisor.

El circuito, como se muestra arriba, depende de dos fuentes de alimentación conocidas como V_CC y V_EE para operar. Estas presentan polaridades coincidentes pero opuestas. V_EE establece la unión base-emisor en un estado polarizado directamente. Mientras tanto, V_CC forma la intersección colector-base en un estado de polarización inversa.

Adicionalmente, I_C puede depender de R_E >> R_B/β y V_EE >> V_BE en lugar de V_BE y β. Hacerlo proporciona un punto de operación equilibrado.

Resumen

Como puedes ver, la polarización de BJT asegura que el transistor operará correctamente en un circuito, proporcionando amplificación de señal AC. Lo logra seleccionando resistencias que afectan el punto de operación del transistor. Además, la unión colector se establece en un estado de polarización inversa mientras que la emisor-base se establece en un estado polarizado directamente. Por supuesto, el diseño del circuito dependerá enteramente de la aplicación prevista y lo que quieras lograr.

¿Tienes alguna pregunta sobre la polarización de BJT? ¡Siéntete libre de contactarnos!