2

Índice

1.- Objetivo 5

2.- Base Teórica 5

2.1.- Fundamentos físicos 5

2.2.- Efectos fisiológicos de las corrientes eléctricas 13

2.2.1.- Interacción de la radiación con la célula 10

2.2.3.- Efectos de la corriente eléctrica 15

2.2.4.- Consecuencias producidas con CA y CD 18

2.2.5.- Macroshock y Microshock 20

2.2.6.- Radio cirugía 23

2.3.- Teoría de transistores (bjt) 28

2.3.1.- Zonas de operación de un transistor 30

2.3.1.1.- Región de directa 31

2.3.1.2.- Región de corte 32

2.3.1.3.- Región de saturación 33

2.3.1.4.- Región de ruptura 34

2.3.2.- Concepto de punto de trabajo y recta de carga estática 35

2.3.3.- Potencia de disipación estática máxima (PCMAX) 37

2.4.- Transistores de efecto de campo FET 37

2.4.1.- Ventajas y desventajas del FET 38

3

2.4.2.- Características eléctricas del JFET 39

2.4.3.- Polarización de un JFET 39

2.4.3.1.- Región de corte 40

2.4.3.2.- Región lineal 41

2.4.3.3.- Región de saturación 41

2.4.3.4.- La región de ruptura 41

2.4.3.5.- Representación grafica del punto de polarización 42

2.5.- Transistores MOSFET 43

2.5.1.- Regiones de operación de Mosfet 43

2.5.1.1.- Región de corte 44

2.5.1.2.- Región lineal 44

2.5.1.3.- Región de saturación 44

2.5.1.4.- Región de ruptura 45

2.6.- Transistores de alta frecuencia rf, hf, vhr. 45

3.- Transistores a emplear 47

3.1.- Transistor MRF448 47

3.2.- Transistor BLW96 49

3.3.- Transistor MRF429 51

3.4.- Transistor SD1726 (THA15) 54

4

3.5.- Transistor MOS BLF177 56

4.- Circuitos empleados (BJT) 58

4.1.- Transistor BLW96 58

4.1.1.- Resultados obtenidos 59

4.2.- Circuito a emplear transistor MRF448 68

4.2.1.- Resultados obtenidos 69

4.3.- Transistor MRF429 76

4.3.1.- Circuito a emplear transistor MRF429 76

4.4.- Transistor SD1726 81

4.4.1.- Circuito a emplear con el transistor SD1726 81

4.5. Transistor BLF177 86

4.5.1.- Circuito a emplear con el transistor BLF177 86

5.- Conclusiones 91

6.- Bibliografía

5

1.- Objetivo

Se realizaran pruebas de laboratorio para obtener las curvas

características de los transistores de alta potencia y alta frecuencia

para ser utilizados en circuitos de radiocirugía de 4 MHz, así como

pruebas en un sistema de electrocirugía y radiocirugía.

Se realizaran las pruebas para obtener sus curvas características de

los transistores MRF 429, MRF 422 y el MOSFET de potencia BLF177

a 4 MHz, esta es la frecuencia de operación de lo equipos de

radiocirugía

2.-Base teórica.

2.1.-Fundamentos físicos

La materia está formada por átomos los cuales a su vez están

formados por protones y electrones. Los protones se encuentran en el

núcleo central de el átomo y los electrones se encuentran colocados

en orbitas alrededor del núcleo.

Los protones son partículas grandes, su masa es alrededor de 1800

veces la masa del electrón, al protón se le asigna una carga eléctrica

positiva, mientras que al electrón se considera una carga eléctrica

negativa, sin embargo la magnitud de la carga eléctrica del protón es

igual al electrón.

Algunos átomos tienen núcleos con exceso de energía. Dichos átomos

existen en un estado de excitación anormal, caracterizado por un

núcleo inestable. Para alcanzar la estabilidad el núcleo emite de forma

6

espontánea partículas y energía, transformándose en otro átomo.

Este proceso se denomina desintegración radioactiva.

Los átomos correspondientes se conocen como radionúclidos.

Fig. 2.1. Modelo atómico clásico

Son muchos los factores que afectan la estabilidad nuclear. El más

importante probablemente sea el número de electrones. Cuando un

núcleo tiene un exceso o defecto de neutrones, experimenta

desintegración nuclear a fin de conseguir un número de protones y

neutrones que le permitan la estabilidad. A demás de isotopos

estables, muchos elementos tienen isotopos radioactivos o

radioisótopos. Estos se pueden producir en forma artificial en

reactores nucleares o acelerador de partículas.

7

Cuando por algún mecanismo logramos sacar un electrón de una de

las orbitas del átomo, se tienen dos partículas un electrón con carga

eléctrica negativa y un átomo con carga eléctrica positiva, a estas dos

partículas se las da el nombre de iones y el proceso de separarlas se

conoce como ionización.

Fig. 2.2 . Modelo atómico señalando la fuerza de atracción al núcleo

Los electrones se encuentran ligados en sus orbitas por la fuerza de

atracción que el núcleo ejerce sobre los electrones, por lo que para

producir una ionización se requiere de cierta energía externa estos

pueden ser fotones.

Las capas orbitales de electrones se designan con las letras K,L,N…

para representar las energías relativas de ligadura de los electrones

desde los mas cercanos al núcleo hasta los mas alejados del mismo,

8

respectivamente. Mientras mas cerca este el electrón de el núcleo,

mayor es su energía de enlace y por lo tanto mayor energía se

requiere para sacarlo.

Fig. 2.3. Un electrón es mostrado en el estado de energía más bajo.

Cuando por algún proceso un electrón de las capas o niveles

inferiores es sacado, su lugar es ocupado por un electrón de las capas

superiores, la diferencia entre la energía de amarre correspondiente a

la capa de hueco presente y la energía de amarre de la capa de donde

proviene el electrón que la va a ocupar, es emitida en forma de

radiación electromagnética, conocida como radiación característica,

cuya energía depende como ya se menciono, exclusivamente de la

diferencia entre ambos niveles de energía y por lo tanto del átomo.

Fig. 2.4. Radiación característica

9

Fig. 2.5. Radiación característica por medio de diferencia de potencial

Para medir la energía se utiliza una unidad conocida como electrón -

volt (eV) y es la energía que adquiere un electrón cuando es acelerado

por una diferencia de potencial de 1volt

Radiación es la forma de energía que se propaga en el espacio en la

misma forma que la luz, o las ondas de radio o tv.

Muchas de las propiedades de la radiación electromagnética se

describen adecuadamente con un modelo clásico de onda sinusoidal,

que utiliza parámetros como longitud de onda, frecuencia, velocidad y

amplitud. A diferencia de otros fenómenos como el sonido, la radiación

electromagnética no necesita un medio de apoyo para transmitirse y,

por tanto se propaga fácilmente a través del vació.

La radiación electromagnética se contempla como un flujo de

partículas discretas o paquetes ondulatorios de energía denominados

fotones, en los que la energía de un fotón es proporcional a la

frecuencia de la radiación.

10

El espectro electromagnético abarca un intervalo enorme de

longitudes de onda y de frecuencias, de hecho, el intervalo es tan

grande que se necesita una escala logarítmica. Las divisiones de las

regiones espectrales son función de los métodos que se precisan para

generar y detectar las diversas clases de radiación. Cabe señalar que

la porción visible del espectro percibida por el ojo humano es muy

pequeña si se compara con otras regiones espectrales.

La radiación electromagnética se representa adecuadamente como un

campo eléctrico y otro magnético que están en fase, con oscilaciones

sinusoidales en ángulo recto de uno respecto a otro y respecto a la

dirección de propagación

.

Fig. 2.6. Calculo de frecuencia de ondas características.

11

La frecuencia de un haz de radiación viene determinada por la fuente y

permanece invariable, Por el contrario, la velocidad de la radiación

depende de la composición de medio que atraviesa por lo que la

longitud de onda también depende del medio.

La velocidad de propagación se define por: vi= vi Ec.1

En el vacío, la velocidad de la radiación es independiente de la

longitud de onda y alcanza su valor máximo. Esta velocidad esta

determinada en c=299,792x108 m/s. La velocidad de la radiación en el

aire solo difiere un poco (0.03%), por lo que tanto para el aire, como

para el vacío, la velocidad de propagación puede escribirse como:

C= v = 3.00 x 108 m/s Ec.2

En cualquier medio material la propagación de la radiación disminuye

a causa de la interacción entre el campo electromagnético de la

radiación y los electrones de los átomos o moléculas presentes. Ya

que la frecuencia radiante permanece invariante y viene fijada por la

fuente, la longitud de onda debe disminuir cuando la radiación pasa

del vacío a algún otro medio.

12

La potencia P de la radiación es la energía del haz que llega a un área

dada por segundo, mientras que la intensidad I es la potencia por

unidad de ángulo sólido. Estas cantidades se relacionan con el

cuadrado de la amplitud A. aunque rigurosamente no es correcto,

potencia e intensidad se usan a menudo como sinónimos.

Experimentalmente se observa que la velocidad a la que se propaga la

radiación a través de una sustancia transparente es menor que su

velocidad en el vacío y depende de los tipos y concentraciones de los

átomos, iones o moléculas del medio.

El índice de refracción de un medio es una medida de su interacción

con la radiación y se define como

Ni = c / vi Ec. 3.

La radiación ordinaria puede considerarse como un haz de ondas

electromagnéticas en el que las vibraciones se distribuyen por igual

entre una serie infinita de planos centrados a lo largo de la trayectoria

del haz. Visto de frente, un haz de radiación monocromática puede

visualizarse como un conjunto infinito de vectores eléctricos cuya

longitud fluctúa desde cero hasta la máxima amplitud fig.7. a).

13

Fig. 2.7. La onda electromagnética y su dirección de propagación.

La radiación electromagnética polarizada en un plano se produce en

ciertas fuentes de energía radiante. Por ejemplo, tanto las ondas de

radio procedentes de una antena como las microondas producidas por

un tubo Klistron están polarizadas en un plano fig.7.b).

2.2-Efectos fisiológicos de las corrientes eléctricas

Todos los organismos vivos están constituidos por células.

Fig. 2.8. Estructura celular

14

Dicho de una manera simple el citoplasma es el lugar donde se

realizan todas las funciones metabólicas en la célula, incluyendo la

síntesis de los compuestos orgánicos para suministrar energía y otros

requisitos necesarios para la vida, mientras que el nucleó contiene

toda la información que necesita la célula para realizar sus funciones

y reproducirse. El citoplasma procesa la comida y la transforma en

energía.

2.2.1.- Interacción de la radiación con la célula

Los efectos biológicos de las radiaciones ionizantes representan el

esfuerzo de los seres vivos para asimilar la energía que han absorbido

como consecuencia de la interacción con alguna radiación ionizante.

Cuando la radiación ionizante interacciona con una célula se producen

ionizaciones y excitaciones ya sea en las macromoléculas biológicas o

bien en el medio en el que están suspendidos los orgánulos celulares.

La radiación en la célula se puede clasificar en directa e indirecta.

Fig. 2.9. Radiación ionizante directa e indirecta

15

La acción directa ocurre cuando una partícula ionizante interacciona y

es absorbida por una molécula biológica como el DNA, el RNA, las

proteínas, las enzimas o cualquier otra macromolécula de la célula el

daño se produce por absorción directa de energía.

La acción indirecta implica la absorción de radiación ionizante por el

medio en que están suspendidas las moléculas. (H2O).

La principal diferencia entre la radiación nuclear y la radiación mas

común encontrada como el calor y la luz es que la primera tiene

suficiente energía como para causar ionización. En agua de la cual

las células están compuestas en gran parte, la ionización puede

causar cambios moleculares.

2.2.3.-Efectos de la corriente eléctrica

De acuerdo a la ley de Ohm. Si se considera al cuerpo humano como

una resistencia eléctrica. La intensidad de la corriente que recibe por

efecto de shock eléctrico dependerá d la tensión de contacto y de la

impedancia (Z) que encuentra la corriente durante su trayectoria a

través del cuerpo.

Ec. 4

Las corrientes eléctricas y las diferencias de potencial desempeñan un

papel vital en el sistema nervioso. La conducción de los impulsos

nerviosos es fundamentalmente un proceso eléctrico, aunque el

mecanismo de conducción es mucho más complejo que en las

sustancias sencillas tales como los metales.

16

A esta naturaleza de la transmisión del impulso se debe la gran

sensibilidad del organismo a las corrientes eléctricas exteriores.

Tenemos estimulaciones eléctricas externas, estas estimulaciones

cambian sus efectos en los tejidos de acuerdo a los niveles que se

utilicen en los parámetros usados como son voltaje, intensidad de

corriente, tiempo de exposición, tensión, resistencia del cuerpo entre

los puntos de contacto, recorrido de la corriente por el cuerpo,

condiciones fisiológicas del individuo y frecuencia de la corriente.

Fig. 2.10. Estimulación eléctrica al nervio de una rana

Para que ocurra algún fenómeno el cuerpo debe formar parte de un

circuito. La cantidad de corriente que pasa entre la entrada y la salida

es igual al voltaje aplicado, dividido entre la impedancia conjunta del

cuerpo y la interface del área de contacto con la fuente.

17

Como ya se menciono el efecto que produce la corriente, depende de

diversos factores como si es corriente alterna o directa

Una razón de por qué no se usa la corriente continúa a pesar de ser

más segura, es que la corriente alterna presente infinidad de ventajas

respecto a la corriente continua.

18

2.2.4.- Las consecuencias producidas con CA y CD

En los siguientes gráficos se pueden apreciar las cuatro zonas

representadas en función del tiempo y la intensidad y se pueden ver,

con cierta claridad, las consecuencias que pueden producir ambas

corrientes en el organismo, las cuales varían notablemente bien

estemos tratando con corriente alterna o continúa.

Fig. 2.11. Comparativo de umbrales de percepción de CD Y CA

19

Podemos observar que en el gráfico de corriente continua no aparece

representada la zona 4. Esto no quiere decir que en este tipo de

corriente no exista en esta zona es simplemente que su omisión se

debe a que los valores que delimitan a la corriente continua no

aparecen en el presente gráfico; el cual tiene un comparativo más fino

que cualquier otra índole

Tabla . 2.1. Efectos fisiológicos de la corriente eléctrica

Como norma general hay que destacar que, cuanto mayor es la

frecuencia de la señal eléctrica menor es el daño producido al

organismo.

La frecuencia de suministro de la Red Eléctrica ronda los 50-60Hz. Si

atendemos a lo expuesto en el anterior párrafo, las frecuencias

mayores serán bastante más seguras, estas frecuencias son utilizadas

EFECTOS FISIOLOGICOS DE LA CORRIENTE ALECTRICA

ma EFECTO CONSRCUENCIAS

0 a 1 Imperceptible no se siente el paso de la corriente

1 a 3 Percepción El paso de la corriente produce cosquilleo

3 a 10 Electrización El paso de la corriente produce movimientos reflejo

10 Tetanazación El paso de la corriente provoca contracciones musculares

15 A 24 Límite de tolerancia Contracción de brazos, Dificultad de respiración.

25 Paro respiratorio Irregularidades cardiacas

25 a 30 Asfixia La tetanizacion afecta músculos del tórax

50 a 200 fibrilación ventricular colapso respiratorio ,contracciones musculares severas

200 a mas fibrilación ventricular Paro cardiaco y muerte

Amperes

1 a 4 Quemaduras contracciones musculares y daño a los nervios

10 Colapso cardiaco quemaduras severas probable muerte

20

en aparatos relacionados con la medicina. La razón por la que no se

usan este tipo de frecuencias en el uso cotidiano, es el elevado coste

de los aparatos que utilizan frecuencias superiores a los 60Hz, lo que

les convierte en muy impopulares.

2.2.5.-Macroshock y Microshock

Microshock

Una corriente tan baja como 10 μA ( microamperios ) directamente a

través del corazón , puede enviar a un paciente directamente

en fibrilación ventricular . Por supuesto, el resultado exacto depende

de la duración de la corriente, la posición exacta del contacto, la

frecuencia de oscilación de corriente, y otros factores.

Podemos referirnos a un microshock en los casos que se tene un

catéter conectado al corazón, una pequeña corriente puede ocasionar

grandes daños al paciente e incluso la muerte (figura. a). Diversos

experimentos muestran que el rango de corrientes que producen

fibrilación en casos de microshock es de 80 a 600 mA

Macroshock

Los macroshock son producidos por la circulacion de corrientes

relativamente grandes a través de la superficie corporal, pueden

ocurrir por ejemplo, si se tocan los cables de potencia del equipo.

21

Las quemaduras eléctricas, espasmos musculares, parálisis,

problemas respiratorios, cese del ritmo cardiaco, fibrilación ventricular

pueden ser asociadas al macroshock. (figura b).

Fig. 2.12. Ejemplo grafico de macroshock y microshock

Recordando que las corrientes del orden de 0.1 amp, muy

pequeñas para generar calentamientos importantes, interfieren con

procesos nerviosos esenciales para funciones vitales tales como el

latido cardiaco. Corrientes más pequeñas, del orden de 0.01 amp,

producen acciones convulsivas en los músculos y mucho dolor. Con

0.02 amp, por ejemplo, una persona no podría soltar un conductor y

llegaría al shock. Vemos que grandes corrientes, pero también

algunas tan pequeñas como 0.001 amp, pueden producir fibrilación

ventricular.

Definiendo fibrilación ventricular como estimulación en distintos

puntos y no hay una coordinación síncrona existente. Existe una

asíncrona y no hay Oxigenación por lo tanto no hay bombeo de

sangre.

22

Fig. 2.13. Descripción de fibrilación auricular.

Aquí se ve la importancia de disponer, de una instalación

eléctrica segura y fiable que tenga incorporadas las medidas de

seguridad más adecuadas para esta especialidad. Los efectos de la

corriente sobre las personas, es casi independiente de la frecuencia,

hasta unos 1.000 ciclos/ s, no importando si esta es continua o alterna.

Por debajo de este valor aparecen fenómenos térmicos, farádicos y

electrolíticos, principalmente. Para frecuencias por encima de las 350

KHz, las corrientes no interfieren apreciablemente con los procesos

nerviosos y sólo producen calor.

23

2.2.6.- Radio cirugía

Podemos entender así, cómo y por qué, las corrientes elegidas

para la electro cirugía, se desarrollan en frecuencias, por encima de

los 500 KHz (0.5 MHz). A estas frecuencias la conducción eléctrica y

la absorción orgánica de las ondas se hace más compleja. A medida

que la frecuencia aumenta, la energía, como vimos, tiende a ser

radiada. Aparecen pues dos mecanismos de producción de calor: por

efecto Joule, debido a la resistencia eléctrica, y por absorción de

radiación electromagnética, debido a las estructuras moleculares. Un

efecto y otro tomarán más relevancia a medida que vayamos

aumentando la pulsación. En electro cirugía se hacen presentes los

dos mecanismos a frecuencias hasta 1 MHz. Para frecuencias entre 1

MHz y 3 MHz de ciclos, es dominante la radiación electromagnética.

En la Radio cirugía, de 3.5 MHz a 4 MHz, sólo la componente

radiada tiene entidad. Hablamos entonces de radioemisión. Visto todo

lo anterior no es difícil deducir que si hacemos circular una corriente

de gran frecuencia entre dos electrodos de, por ejemplo 100 cm2 y

colocados en buen contacto con la piel, y le damos la amplitud

suficiente, se producirá una cierta cantidad de calor en la parte del

organismo situada entre los mismos, debido a los efectos comentados.

24

Supongamos que medimos la potencia eléctrica entregada,

resultando ser de 80 watt (para hacerse una idea, una persona en

reposo emite unos 80 watt de potencia). Recordemos que potencia es

la velocidad a la que se desarrolla la energía.

Fig. 2.14. Placas de 100 cm no provocarán un aumento importante de temperatura

entre ellas.

Si observamos una de las placas, en ella se estarán transfiriendo

80/100=0.8 watt/cm2 como se nota en la figura Esta densidad de

energía, no es suficiente para comprometer los tejidos vivos pero si

disminuimos la superficie de contacto a 1 mm2, por ejemplo, la

densidad de energía subirá a 80/0.1=800 watt/cm2, que si es una

cantidad importante.

25

Sabemos que el calor latente de evaporación del agua, a la

temperatura corporal, es de 2415 julios por cada gramo de la misma.

La concentración energética en una superficie de contacto pequeña,

incrementa considerablemente la temperatura. Si hacemos números,

vemos que si mantenemos el contacto permanentemente, tenemos

energía para volatilizar 0.5 gramos de agua por segundo de los tejidos

en contacto.

Esto nos da idea de lo que ocurre en el corte electro quirúrgico:

Evaporamos el agua de los tejidos y sustancias en contacto, con tanta

violencia que, literalmente, las células explotan. Además, la

temperatura de contacto y el vapor sobrecalentado producido,

aseguran la esterilización del corte. Estaríamos ante, lo que en electro

cirugía se llama, corte puro. Para obtener técnicamente estas

condiciones, utilizaremos electrodos de contacto lo más cortantes y

delgados posible; debemos de generar una onda senoidal de alta

frecuencia, por encima de 350 KHz, llamada portadora, con una

amplitud suficiente (alrededor de 1.000 Vpp) para suministrar la

energía que necesitamos. A esta onda se la sigue llamando en los

modernos equipos: onda totalmente filtrada.

26

Si el efecto que queremos obtener es el de coagular los tejidos en

contacto, debemos de rebajar el calor transmitido a los tejidos con el

fin de que tan sólo hiervan en sus propios líquidos y formen coágulo

rápidamente. Utilizaremos, para dispersar la energía, electrodos de

gran superficie de contacto (bolas y cilindros) y maniobraremos con

ligeros toques sobre los tejidos. Si a la onda generada para el corte

puro se la modula con una semionda parcial senoidal, aumentando

ligeramente la amplitud, obtendremos los efectos deseados generando

el efecto de coagulación. A esta onda se le llama parcialmente

rectificada.

Si deseamos obtener efectos intermedios entre el corte y la

coagulación buscaremos una modulación que no rebaje tanto el calor

transmitido. Conseguimos así una hemostasia en el corte muy

importante. La onda, la modularemos con una semionda completa

senoidal, manteniendo los mismos parámetros que en el caso anterior.

Creando un corte combinado o corte con coagulación y a esta onda

se le conoce como completamente rectificada.

27

Si lo que pretendemos es la destrucción superficial de tejidos por

deshidratación, también llamado desecación, podemos generar una

modulación por onda amortiguada y gran amplitud, mas de 2,500 volt,

capaz de ionizar el aire y, por tanto, de crear arcos eléctricos entre el

electrodo y los tejidos. Este se aproximara a la zona a tratar y sin

llegar a tocarla; se deberá evitar contacto prolongado para evitar crear

agujeros en los tejidos. También podríamos obtener estos arcos de un

generador eléctrico de chispas. Con esto generamos lo que en electro

cirugía se llama fulguración.

Fig. 2.15. Graficas de las distintas corrientes empleadas en electro cirugía.

La electrodesecación se pude obtener, usando electrodos apropiados,

y en los modos de coagulación, eligiendo una potencia adecuada. Los

aparatos que incluyen salida micro bipolar pueden realizar

desecaciones sin chispas, lo que es ideal para ciertas aplicaciones.

28

2.3.-Teoría de transistores

El transistor es un dispositivo que ha originado una evolución en el

campo electrónico. En este tema se introducen las principales

características básicas del transistor bipolar y FET y se estudian los

modelos básicos de estos dispositivos y su utilización en el análisis los

circuitos de polarización. Polarizar un transistor es una condición

previa a muchas aplicaciones lineales y no-lineales ya que establece

las corrientes y tensiones en continua que van a circular por el

dispositivo.

Fig. 2.16.-Símbolos y sentidos de referencia para un transistor bipolar a) NPN y b)

PNP.

Las corrientes en un transistor de unión o BJT Un transistor bipolar de

unión está formado por dos uniones pn en contraposición.

Físicamente, el transistor está constituido por tres regiones

semiconductoras -emisor, base y colector- siendo la región de base

muy delgada (< 1µm). El modo normal de hacer operar a un transistor

es en la zona directa. En esta zona, los sentidos de las corrientes y

29

tensiones en los terminales del transistor se muestran en la figura

1.1.a para un transistor NPN y en la figura 1.1.b a un PNP.

Ebers y Moll desarrollaron un modelo que relacionaba las corrientes

con las tensiones en los terminales del transistor. Este modelo,

conocido como modelo de Ebers-Moll, establece las siguientes

ecuaciones.

Donde IES y ICS representan las corrientes de saturación para las

uniones emisor y colector, respectivamente, α F el factor de defecto y

α R la fracción de inyección de portadores minoritarios. En un

transistor bipolar PNP, las ecuaciones de Ebers-Moll son:

Para un transistor ideal, los anteriores cuatro parámetros están

relacionados mediante el teorema de reciprocidad.

30

Valores típicos de estos parámetros son: α F =0.99, α R=0.66, IES=10-

15A y ICS=10-15A .

2.3.1.-Zonas de operación de un transistor

En general, los transistores bipolares de circuitos analógicos lineales

están operando en la región activa directa. En esta región existe

cuatro zonas de operación definidas por el estado de las uniones del

transistor saturación, lineal, corte y ruptura.

Fig. 2.17. Zonas de operación del transistor

A continuación se describe las características del transistor en estos

modos de operación considerando el transistor NPN únicamente;

similar resultado puede ser aplicado a transistores PNP.

31

Tabla. 2. 2. Principales modos de operación de un transistor bipolar.

2.3.1.1.- Región directa.

La unión emisor-base está directamente polarizada y la unión base-

colector inversamente polarizada; la VBE está comprendida entre 0.4

V y 0.8 V (valor típico de 0.7 V) y la VBC > 100mV. En estas

condiciones, las ecuaciones de Ebers-Moll se pueden aproximar a

Operando con estas ecuaciones, se obtiene una relación entre ambas

intensidades de forma que

donde siendo

Es la ganancia en corriente en continua del transistor que en las

hojas de características del fabricante se representa por hFE. Este

parámetro es muy importante en un transistor de unión y define la

relación entre las corrientes de colector y base.

Al ser ICO una corriente muy baja, el segundo término de la ecuación

puede ser despreciado frente al primero. Como resultado, se obtiene

32

una relación muy utilizada para analizar transistores que operen en

esta región

La ecuación indica que en la región activa lineal la relación entre las

corrientes de colector y base es constante. Sin embargo, en la práctica

la hFE de los transistores varía hasta en un 500% debido

principalmente a tres factores:

1) Proceso de fabricación. Los transistores sufren variaciones en el

proceso de fabricación que modifican sus características.

2) Corriente de colector. La hFE varía también con la corriente de

colector. El fabricante proporciona curvas de características que

permiten obtener la hFE para diferentes IC.

3) Temperatura. La dependencia de la hF E con la temperatura

2.3.1.2.- Región de corte

En la región de corte las uniones de emisor y colector están

polarizadas en inversa;

la VBE y la VBC tienen tensiones inferiores a 100mV. En estas

condiciones, las ecuaciones de Ebers-Moll pueden ser simplificadas

33

Estas corrientes son extremadamente bajas y pueden ser

despreciadas; a efectos prácticos se puede considerar al transistor

como si no existiese. Sin embargo, en muchos circuitos resulta

interesante establecer cuando se dan las condiciones de conducción

de un transistor, es decir, fijar la frontera entre la región de corte y

lineal. Esta frontera no es clara y el transistor pasa de una región a

otra de una manera gradual. Es decir, el transistor está en la región

lineal cuando tiene corrientes significativas en sus terminales.

En corte cuando esas corrientes son muy bajas. Normalmente, se

asigna una VBE umbral (VBEγ ) a partir de la cual las corrientes tienen

un valor suficientemente alto; esta VBEγ suele estar comprendida

entre 0.4 y 0.5 V.

2.3.1.3.- Región de saturación

En la región de saturación las uniones de emisor y colector están

polarizadas en directa; la VBE y la VBC tienen tensiones superiores

100mV

La caída de tensión entre el colector y emisor es muy baja debido a

que ambas uniones pn se encuentran directamente polarizadas. De

esta manera, se verifica que

34

Sabemos que

Los valores típicos de la VCE(sat) están próximos a 0.1 o 0.2 V y la

VBE(sat) es ligeramente superior a la de la región lineal (≈0.8 V). El

transistor está operando con una relación ßF (sat)=IC/IB variable e

inferior a la ßF de la región lineal.

2.3.1.4.-Región de ruptura

Las tensiones máximas que pueden soportar las uniones pn

inversamente polarizadas se denominan tensiones de ruptura. Cuando

se alcanza estas tensiones existe peligro de ruptura del transistor

debido a dos fenómenos: ruptura por avalancha y ruptura por

perforación. El fabricante proporciona dos tensiones máximas (VCEO,

VCES) que limitan de alguna manera las tensiones máximas de

polarización en continua los transistores. La VCEO define la tensión

máxima entre el colector y emisor, estando la base en circuito abierto,

antes de que se produzca fenómenos de multiplicación de avalancha

que incrementa exponencialmente la ICO a través de la unión.

35

2.3.2.-Concepto de punto de trabajo y recta de carga estática

El transistor bipolar que opera en la región lineal tiene unas

características eléctricas lineales que son utilizadas para amplificación.

En estos circuitos, las señales de entrada son amplificadas a la salida

y, por consiguiente, hay un aporte de energía realizado a través de

fuentes de tensión externas denominadas fuentes de alimentación o

fuentes de polarización. Las fuentes de alimentación cubren dos

objetivos: proporcionar las corrientes y tensiones en continua

necesarias para que el transistor opere en la región lineal y suministrar

energía al transistor de la que parte de ella va a ser convertida en

potencia (amplificación). Los valores de corrientes y tensiones en

continua en los terminales de un transistor se denomina punto de

trabajo y se suele expresar por la letra Q (Quiescent operating point).

En transistor del circuito de la figura 1.8.a está polarizado con dos

resistencias y una fuente de tensión en continua VCC. En este circuito

se verifica que V − VBE I B = CC RB (1.16) Si suponemos que el

transistor se encuentra en la región directa lineal, entonces se puede

relacionar las intensidades de base y colector a través de la hFE y

asignar una tensión base-emisor típica de 0.7 V. El cálculo de las

tensiones e intensidades del transistor proporciona su punto de trabajo

Q. Para este circuito, Q viene definido por las siguientes ecuaciones:

36

Punto de trabajo Q

Fig. 2.18. Grafica que nos muestra el punto de trabajo.

Se puede observar la representación gráfica del punto de trabajo Q

del transistor, especificado a través de tres parámetros: ICQ, IBQ y la

VCEQ. Este punto se encuentra localizado dentro de una recta

denominada recta de carga estática: si Q se encuentra en el límite

superior de la recta el transistor estará saturado, en el límite inferior en

corte y en los puntos intermedios en la región lineal. Esta recta se

obtiene a través de la ecuación del circuito que relaciona la IC con la

VCE que, representada en las curvas características del transistor

Una de las primeras decisiones relacionadas con la polarización de un

transistor es seleccionar la situación del punto Q. La selección más

práctica es situarle en la mitad de la recta de carga estática para que

la corriente de colector sea la mitad de su valor máximo, condición

conocida como excursión máxima simétrica. Evidentemente esta es

una condición de diseño que asegurará el máximo margen del punto Q

a incrementos de cualquier signo de la intensidad de colector. Sin

embargo, hay muchas otras condiciones de operación del transistor

que exige un desplazamiento de Q en uno u otro sentido. En estos

37

casos la situación del punto Q estará definida por las diferentes

restricciones.

2.3.3.- Potencia de disipación estática máxima (PCMAX)

Un transistor de unión polarizado tiene unas tensiones y corrientes en

sus terminales que le hacen disipar energía. Esta potencia de

disipación se puede obtener aplicando la definición de potencia

absorbida por un elemento tri-terminal, que en caso del transistor, se

expresa como VCE.

Debido a que generalmente la IB<<<IC y la VBE<<VCE, el primer

término de esta ecuación es despreciable frente al segundo,

resultando que

Esta ecuación representa a una hipérbola en el plano (VCE, IC) de las

curvas características del transistor. El fabricante proporciona como

dato la potencia de disipación máxima de un transistor; como ejemplo,

el BC547 tiene una PCMAX=500mW.

Circuitos de polarización de transistores bipolares La selección del

punto de trabajo Q de un transistor se realiza a través de diferentes

circuitos de polarización que fijen sus tensiones y corrientes.

2.4.-Transistores de efecto de campo ( FET)

Son particularmente interesantes en circuitos integrados y pueden ser

de dos tipos: transistor de efecto de campo de unión o JFET y

transistor de efecto de campo metal-óxido semiconductor (MOSFET).

38

Son dispositivos controlados por tensión con una alta impedancia de

entrada (101 2Ω). Ambos dispositivos se utilizan en circuitos digitales y

analógicos como amplificador o como conmutador. Sus características

eléctricas son similares aunque su tecnología y estructura física son

totalmente diferentes.

2.4.1.- Ventajas y desventajas del FET

Ventajas del FET:

1) Son dispositivos controlados por tensión con una impedancia de

entrada muy elevada (107 a 101 2Ω).

2) Los FET generan un nivel de ruido menor que los BJT.

3) Los FET son más estables con la temperatura que los BJT.

4) Los FET son más fáciles de fabricar que los BJT pues precisan

menos pasos y permiten integrar más dispositivos.

5) Los FET se comportan como resistencias controlados por tensión

para valores pequeños de tensión drenaje-fuente.

6) La alta impedancia de entrada de los FET les permite retener carga

el tiempo suficiente para permitir polarización de corriente de base

7) Los FET de potencia pueden disipar una potencia mayor y conmutar

corrientes grandes.

Desventajas que limitan la utilización de los FET

1) Los FET presentan una respuesta en frecuencia pobre debido a la

alta capacidad de entrada.

39

2) Los FET presentan una linealidad muy pobre, y en general son

menos lineales que los BJT.

3) Los FET se pueden dañar debido a la electricidad estática.

2.4.2.-Las características eléctricas del JFET

El JFET de canal n está constituido por una barra de silicio de material

semiconductor de tipo n con dos regiones (islas) de material tipo p

situadas a ambos lados. Es un elemento tri-terminal cuyos terminales

se denominan drenador (drain), fuente (source) y puerta (gate).

Fig. 2.19. En l inciso a) JFET de canal n. b) Símbolo de un JTFET de canal n. c)

Símbolo de JFET canal p.

2.4.3.- La polarización de un JFET

La polarización exige que las uniones p-n estén inversamente

polarizadas. En un JFET de canal n, o NJFET, la tensión de drenador

debe ser mayor que la de la fuente para que exista un flujo de

corriente a través de canal. Además, la puerta debe tener una tensión

40

más negativa que la fuente para que la unión p-n se encuentre

polarizado inversamente.

Las curvas de características eléctricas de un JFET son muy similares

a las curvas de los transistores bipolares. Sin embargo, los JFET son

dispositivos controlados por tensión a diferencia de los bipolares que

son dispositivos controlados por corriente.

Fig. 2.20. Zonas de operación de un JFET

Se definen cuatro regiones básicas de operación: corte, lineal,

saturación y ruptura. A continuación se realiza una descripción breve

de cada una de estas regiones para el caso de un NJFET.

2.4.3.1.- Región de corte

En esta región la intensidad entre drenador y fuente es nula (ID=0).

En este caso, la tensión entre puerta y fuente es suficientemente

negativa que las zonas de inversión bloquean y estrangulan el canal

cortando la corriente entre drenador y fuente. En las hojas técnicas se

41

denomina a esta tensión como de estrangulamiento o pinch-off y se

representa por VGS(off) o Vp. Por ejemplo, el BF245A tiene una

VGS(off)=-2V.

2.4.3.2.- Región lineal

En esta región, el JFET se comporta como una resistencia no lineal

que es utilizada en muchas aplicaciones donde se precise una

resistencia variable controlada por tensión. El fabricante proporciona

curvas de resistencia drenador-fuente (rds(on)) para diferentes valores

de VGS tal

2.4.3.3.-Región de saturación

En esta región, de similares características que un BJT en la región

lineal, el JFET tiene unas características lineales que son utilizadas en

amplificación. Se comporta como una fuente de intensidad controlado

por la tensión VGS cuya ID es prácticamente independiente de la

tensión VDS.

La corriente se define como el valor de ID cuando VGS=0, y esta

característica es utilizada con frecuencia para obtener una fuente de

corriente de valor constante.

2.4.3.4.- La región de ruptura

Una tensión alta en los terminales del JFET puede producir ruptura por

avalancha a través de la unión de puerta. Las especificaciones de los

fabricantes indican la tensión de ruptura entre drenaje y fuente con la

42

puerta cortocircuitada con la fuente; esta tensión se designa por

BVDSS y su valor está comprendido entra 20 y 50 V. Las tensiones de

polarización nunca deben superar estos valores para evitar que el

dispositivo se deteriore. Por último, comentar las diferencias existentes

entre un NJFET y PJFET.

Las ecuaciones desarrolladas anteriormente para el JFET son válidas

para el PJFET considerando el convenio de signos indicados en la

tabla:

Tabla. 2.3. Convenio de signos en las tenciones

2.4.3.5.-Representación grafica del punto de polarización

La representación gráfica de este punto Q y la relación existente en

ambas curvas las cuales permiten determinar el punto de polarización

de un transistor utilizando métodos gráficos. ID recta de carga estática

IDSS VGS =0 IDQ Q VGSQ –VGS Vp VGSQ VDSQ VDS

43

Fig. 2.21. Curvas características de un JFET

2.5.- Transistores MOSFET (MOS)

Son dispositivos de efecto de campo que utilizan un campo eléctrico

para crear una canal de conducción. Son dispositivos más importantes

que los JFET ya que la mayor parte de los circuitos integrados

digitales se construyen con la tecnología MOS. Existen dos tipos de

transistores MOS: MOSFET de canal N o NMOS y MOSFET de canal

P o PMOS. A su vez, estos transistores pueden ser de acumulación

(enhancement) o deplexion (deplexion); en la actualidad los segundos

están prácticamente en desuso y aquí únicamente serán descritos los

MOS de acumulación también conocidos como de enriquecimiento.

2.5.1.- Regiones de operación de mosfet

Los transistores JFET y MOSFET tienen una estructura física muy

diferente pero sus ecuaciones analíticas son muy similares. Por ello,

en los transistores MOS se definen las mismas regiones de operación:

corte, lineal, saturación y ruptura.

Fig. 2.22. Curvas características de un NMOS

44

2.5.1.1.- Región de corte

Se verifica que VGS<VT y la corriente ID es nula.

2.5.1.2.-Región lineal

El transistor se comporta como un elemento resistivo no lineal

controlado por tensión.

Un parámetro característico del MOS que depende de la tecnología a

través de la constante k y del tamaño de la puerta del transistor (W la

anchura y L la longitud).

2.5.1.3 Región saturación

El transistor se comporta como una fuente de corriente controlada por

la tensión VGS. Verifica las siguientes ecuaciones:

siendo ß el parámetro descrito en la ecuación.

45

2.5.1.4 Región de ruptura

Un transistor MOS puede verse afectado por fenómenos de

avalancha en los terminales drenado y fuente, y roturas en la capa de

óxido fino de la puerta que pueden dañar irreversiblemente al

dispositivo

. Convenio de signos en las tensiones y corrientes de un NMOS y

PMOS. Por último, señalar que en la tabla se indican las diferencias en

el signo y sentido de las corrientes y tensiones existentes entre

transistores NMOS y PMOS.

Tabla. 2.4. Convenio de signos en las tenciones

2.6.- Los transistores de alta frecuencia utilizados son

transistores rf,hf,vhr

VHF (Very High Frequency)

Es la banda del espectro electromagnético que ocupa el rango de

frecuencias de 30 MHz a 300 MHz.

HF (high frequency)

46

Es la onda corta, también conocida como SW ( shortwave)es una

banda de radio frecuencias comprendidas entre 2300 y 29.999Khz

RF( espectro de radiofrecuencia)

El espectro de radio frecuencia se encuentra situada entre unos

3 kHz y unos 300 GHz. El hercio es la unidad de medida de la

frecuencia de las ondas, y corresponde a un ciclo por

segundo.1 Las ondas electromagnéticas de esta región del espectro,

se pueden transmitir aplicando la corriente alterna originada en un

generador a una antena.

A partir de 1 GHz las bandas entran dentro del espectro de

las microondas. Por encima de 300 GHz la absorción de la radiación

electromagnética por la atmósfera terrestre es tan alta que la

atmósfera se vuelve opaca a ella, hasta que, en los denominados

rangos de frecuencia infrarrojos y ópticos, vuelve de nuevo a ser

transparente.

47

3.-Transistores a emplear

3.1.- Transistor MRF448

La hoja de características de este transistor se obtuvo de

www.alldatasheet.com.

48

49

3.2.- Transistor BLW96

La hoja de características de este transistor se obtuvo de

www.alldatasheet.com.

50

PRODUCT SAFETY This device incorporates beryllium oxide, the dust of which is toxic. The device is entirely safe provided that the BeO disc is not damaged.

51

3.3.- Transistor MRF429

La hoja de características de este transistor se obtuvo de

www.alldatasheet.com.

52

53

54

3.4.- Transistor SD1726

La hoja de características de este transistor se obtuvo de

www.alldatasheet.com.

55

56

3.5.- TANSISTOR MOS BLF 177

La hoja de características de este transistor se obtuvo de

www.alldatasheet.com.

57

58

4.-Circuitos empleados (BJT)

4.1.-Transistor BLW 96

Para el amplificador BLW96 se realizo el siguiente circuito que se

obtuvo de la hoja de datos del transistor.

Circuito 4.1 Usando transductor BLW96

59

4.1.1.- Resultados obtenidos

Fig. 4.1 Area de operación

Podemos ver cómo nos encontramos trabajando dentro de un área

segura.

60

Fig. 4.2. Circuito de prueba empleando transistor BLW96

61

Fig. 4.3 Transistor BLW96 utilizado en nuestro circuito 4.1

Grafica BLW96

HF/VHF power transistor

Tabla. 4.1. voltaje/corriente

Voltaje

Corriente

.7 0

1.25 .2

1.3 1

1.35 5

1.4 7

1.45 8

1.5 10

62

Grafica transistor BLW96 HF/VHF

Fig. 4.4. Grafica de voltaje/corriente

63

Grafica Normalizada BLW96

Fig. 4.5. Grafica normalizada de voltaje/corriente

64

Las graficas obtenidas entran dentro de los resultados esperados con

ligeras variaciones pero dentro de las especificaciones

Con Vcc=5

Tabla 4.2. Corriente / frecuencia

65

Con Vcc =15

66

0

50

100

150

200

250

300

0 5 10 15 20 25

ft (

MH

z)

-Ie corriente emisor

Con Vcc =45

Fig. 4.8. Grafica de frecuencia / corriente

Tabla. 4.4 corriente / frecuencia.

con vcb=45

Ie corriente

del emisor frecuencia

0 150

1 190

2 227

5 229

7 232

10 234

12 236

15 238

17 240

18 242

19 245

20 247

67

Comparando las graficas

Fig.4.9. Representación grafica de frecuencia /corriente con voltajes de 5v 15v y 45v

Fig. 4.10. Grafica de frecuencia visualizada en el hosiloscopio ala salida del circuito

0

50

100

150

200

250

300

0 5 10 15 20 25

ft (

MH

z)

-Ie corriente del emisor

con vcb=5v frecuencia

con vcb=15v frecuencia

con vcb=45 frecuencia

68

4.2.- CIRCUITO A EMPLEAR TRANSISTOR MRF448

Para el amplificador MRF448 se realizo el siguiente circuito que se

obtuvo de la hoja de datos del transistor.

Circuito 4.2. Usando transistor MRF448

69

4.2.1.- Resultados obtenidos

Fig. 4.11. Circuito de prueba empleando transistor MRF448

70

Fig. 4.12 Transistor MRF448 utilizado en nuestro circuito 4.2

Grafica MRF448 HF/VHF power transistor

Tabla. 4.5. voltaje/corriente

Voltaje Corriente

.7 0

1.1 .2

1.2 .3

1.25 1

1.35 2

1.45 7

1.5 10

71

Grafica transistor mrf448 HF/VHF

Fig. 4.13. Grafica de voltaje/corriente

72

Grafica mrf448 Normalizada mrf448 HF/VHF

Fig. 4.14. Grafica normalizada voltaje / corriente

73

0

50

100

150

200

0 5 10 15 20 25

ft (

MH

z)

Ic Corriente de colector

Series1

Corriente de colector con transistor MRF448

Fig. 4.15. Grafica de frecuencia / Corriente

Tabla 4.6. Frecuencia / Corriente.

Con

Vcc=15v

Ic corriente colector Frecuencia

0 50

1 125

2 150

5 176

7 178

10 178

12 177

15 175

17 174

18 164

19 154

20 152

74

0

50

100

150

200

250

0 5 10 15 20 25

ft (

MH

z)

Ic Corriente de colector

Series1

Fig: 4.16 Grafica de frecuencia / Corriente.

Tabla 4.7. Frecuencia / Corriente

Con

Vcc=30

Ic corriente colector frecuencia

0 50

1 150

2 175

5 210

7 215

10 220

12 222

15 224

17 224

18 223

19 222

20 221

75

Comparación de graficas

Fig.4.17. Representación grafica de frecuencia / corriente con voltajes de 15v y 30

Fig. 4.18. Grafica de frecuencia visualizada en el hosiloscopio ala salida del circuito

0

50

100

150

200

250

0 5 10 15 20 25

Ft (

MH

z)

Ic corriente de colector (Amps)

con vcc=15v Frecuencia

con Vcc=30 frecuencia

76

4.3.- Transistor MRF429

4.3.1.- Circuito a emplear con el transistor MRF429,este circuito se

obtuvo de la hoja de datos de este transistor.

Circuito 4.3.- Usando transistor MRF429

77

Fig.4.19 Circuito de prueba empleando transistor

78

Grafica

MRF429 Transistor

Fig. 4.20 Transistor MRF429 utilizado en nuestro circuito 4.3.1

Tabla 4.8.Voltaje / Corriente

Voltaje Corriente

.7 0

1 .17

1.3 1

1.35 7

1.4 10

79

Grafica transistor MRF429

Fig. 4.21. Grafica de Voltaje / Corriente

80

Grafica Normalizada transistor MRF429

Fig. 4.22. Grafica normalizada de Voltaje / Corriente

81

4.4.- Transistor SD1726

4.4.1.- Circuito a emplear con el transistor SD1726

Circuito 4.4.-Usando transistor SD1726

82

Grafica SD1726

Transistor

Fig. 4.23 Transistor MRF429 utilizado en nuestro circuito 4.4.1.

Grafica transistor SD1726

Voltaje Corriente

.7 0

.82 .1

.95 .12

1 .15

1.32 .2

1.35 .3

1.37 .4

1.38 .5

1.4 .6

1.42 1

1.45 3

1.5 10

Tabla 4.9. Voltaje / Corriente

83

Grafica transistor SD1726

Fig. 4.24. Grafica de Voltaje / Corriente

84

Grafica normalizada SD1726

Fig. 4.25. Grafica normalizada de Voltaje / Corriente

85

Fig. 4.24 Transistor SD1726 utilizado en nuestro circuito 4.4.1

86

4.5.-Transistor BLF177

4.5.1.-Circuito a emplear con el transistor BLF177

Circuito4.5.- Utilizado con el transistor BLF177

87

Fig4.25. Transistor BLF177 utilizado en nuestro circuito 4.5.1

Grafica HF/VHF MOS transistor BLF177

Voltaje Corriente

.7 0

1.2 .2

1.25 .3

1.3 .6

1.32 1

1.4 2

1.47 3

1.49 4

1.5 10

Tabla 4.10. Voltaje / Corriente

88

Grafica MosBLF77

Fig. 4.26 Grafica de Voltaje / Corriente

89

Grafica normalizada MOS BLF77

Fig. 4.27. Circuito Normalizado de Voltaje / Corriente

90

Fig.4.28. MOS BLF177 utilizado en el circuito 4.5

91

RESULTADOS GRAFICAS

Fig4.29. Grafica de frecuencia visualizada en el hosiloscopio ala salida del circuito

5.- Conclusiones:

Al analizar las pruebas realizadas en cada uno de los transistores, nos podemos

dar cuenta, que nos encontramos trabajando en una área segura en la cual no

podemos hacer daño al paciente y el incremento de la potencia a 4 Mhz

optimizaría el funcionamiento de un equipo de radio cirugía ya que actualmente no

se usan estas frecuencias para estos equipos,

Con estas pruebas podemos comprobar que el uso de estos transistores en

futuros diseños para equipos de electrocirugía y radiocirugía pueden ser utilizados

sin riesgos así optimizar el diseño de estos equipos

92

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94