Polarización Electrónica I. Contenido Punto de operación Polarización fija Circuito estabilizado...
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Polarización
Electrónica I
ContenidoPunto de operación
Polarización fija
Circuito estabilizado en emisor
Polarización por divisor de voltaje
Polarización por retroalimentación de voltaje
Otras configuraciones
Diseño
Conmutación
Transistores pnp
Estabilización de la polarización
Punto de operación
Polarización fija
IC
IB
VBE
VCE
+
+
Aplicando LKV a la malla de base:
VCC – IBRb – VBE = 0
b
BECCB R
VVI
Se cumple que IC = IB
VCE = VCC – ICRc
Ejemplo
Sea = 50 y Vcc = 12 V
Tomamos VBE = 0.7 V
IB = (12 – 0.7)/240k = 47 A
IC = 50IB = 2.35 mA
VCE = 12 – (2.35mA)(2.2k)
= 6.82 V
VBC = VB – VC = 0.7 – 6.82
= 6.12 V
Saturación
C
CCCsat R
VI
La corriente de saturación la encontramos cuando suponemos un corto entre colector y emisor.
La corriente es:
Análisis de recta de carga
Recta de carga para polarización fija.
Para trazar la recta de carga una los puntos VCC/RC sobre el eje de corriente (IC) y VCC en el eje de voltaje (VCE),
Variación del punto QVariación debida al incremento a la corriente de base.
Variación de la recta debido a la disminución de la resistencia de colector IC.
Variación de la recta debido a la disminución del voltaje de colector VCC.
EjemploEncontrar VCC, RB e RC.
Circuito de polarización estabilizado en emisor
La mejora de la estabilización se logra agregando una resistencia en el emisor.
EB
BECCB RR
VVI
1
La resistencia de entrada es Ri dada por
Ri = RB + ( + 1) RE
IC
IB
VBE
VCE
+
+
IC
VCE
+
IE
En la malla de colector-emisor tenemos:
VCE = VCC – IC(RC + RE)
La corriente de saturación es
IC = VCC/(RC + RE)
EjemploEncontrar:
IB, IC, VCE, VC, VE, VBC, VB
Análisis de estabilidad
Beta Ib(A) Ic(mA) Vce(V)
50 47.1 2.4 6.8
100 47.1 4.7 1.6
Cambio 0% 100% -76%
Beta Ib(A) Ic(mA) Vce(V)
50 40.1 2.0 14.0
100 36.3 3.6 9.1
Cambio -9% 81% -35%
Polarización fija
Polarización de emisor
Saturación
EC
CCCsat RR
VI
La corriente de saturación la encontramos cuando suponemos un corto entre colector y emisor.
La corriente es:
Análisis de recta de carga
Recta de carga para polarización de emisor.
Para trazar la recta de carga una los puntos VCC/(RC + RE) sobre el eje de corriente (IC) y VCC en el eje de voltaje (VCE),
Circuito de polarización por divisor de voltaje
La polarización se logra utilizando un divisor de voltaje en el circuito de base.
IC
IB
VBE
VCE
+
+
Análisis exacto
El análisis del circuito de entrada se realiza sustituyendo el circuito de entrada por su equivalente de Thevenin.
21 RRRth
21
2
RR
VRV CC
th
Eth
BEthB RR
VVI
1
VCE = VCC – IC(RC + RE)
EjemploEncontrar VCE e IC en la siguiente red.
Análisis aproximado
Si el valor de RE > 10R2, se puede suponer IB = 0, además
21
2
RRVR
V CCB
BEBE VVV E
EE R
VI
EC II ECCCCCE RRIVV
La fórmula de corriente de saturación y la recta de carga es igual que para la polarización por emisor.
EjemploEncontrar VCE e IC en la siguiente red usando las fórmulas aproximadas.
EjercicioEncuentre el punto Q con las fórmulas exactas y aproximadas y compare resultados.
Polarización por retroalimentación de voltaje
ICIB
VBE
VCE
+
+
IC’
IE
Si suponemos que IC’ = IC = IB, llegamos a
ECB
BECCB RRR
VVI
En general'
'RR
VI
BB
R’ = 0 polarización fija
R’ = RE polarización en emisor
R’ = (RC + RE) retroalimentación de colector
VCE es la misma que para emisor y divisor.
EjemploEncontrar el punto Q. Repita para = 135
IC = 1.07 mA
VCE = 3.69 V
IC = 1.2 mA
VCE = 2.92 V
EjemploEncontrar IB y VC.
IB = 35.5 A
VC = 9.22 V
Otras configuracionesEncontrar IC, VCE, VB, VC, VE y VBC.
IC = 1.86 mA
VCE = 11.26 V
VB = 0.7 V
VC = 11.26 V
VE = 0 V
VBC = -10.56 V
Encontrar VB y VC
VC = -4.48 V
VB = -8.3 V
Seguidor emisor. Encontrar VCE y IE
IE = 4.16 mA
VCE = 11.68 V
Base común. Encontrar VCE y IB
IB = 45.8 A
VC = 3.4 V
Encontrar VC y VB
VB = -11.59 V
VC = 8.53 V
Diseño
En el proceso de diseño se trata de determinar los valores de las componentes necesarias para lograr un cierto punto de operación, es decir, un conjunto de valores de voltajes y corrientes.
EjemploDeterminar VCC, RB y RC para la siguiente red. Encontrar los valores estándar.
VCC = 20 V RB = 482.5 kOhms RC = 2.5 kOhms
EjemploSi IC = 2 mA, VCE = 10 V determinar R1 y RC para la siguiente red. Encontrar los valores estándar.
R1 = 86.52 kOhms RC = 2.8 kOhms
EjemploSi ICQ = ½ ICsat, ICsat = 8 mA, determinar RE, RB y RC para la siguiente red. Encontrar los valores estándar.
RE = 1 kOhms RC = 2.2 kOhms RB = 639.8 kOhms
Ejemplo de diseño completoPara poder encontrar los valores de las resistencias, debemos hacer una elección de ingeniería. Como por ejemplo suponer que VE es un décimo de VCC.
RE = 2 kOhms
RC = 4 kOhms
RB = 1,3 MOhms
Ejemplo de divisorPara poder encontrar los valores de las resistencias, debemos hacer una elección de ingeniería. Como por ejemplo suponer que VE es un décimo de VCC. Suponga también que RE>=10R2 y calcule VB.
RE = 200 Ohms
RC = 1 kOhms
R1 = 10.25 kOhms
R2 = 1.6 kOhms
Conmutación
En el diseño de una red de conmutación se debe asegurar que el transistor trabaje entre corte y saturación.
El estado de corte se asegura con un voltaje de entrada igual a cero.
La saturación se logra con una corriente de base lo suficientemente grande para que IB > ICsat/.
Ejemplo
AI
RV
I
B
C
CCCsat
50
El transistor como interruptor
El transistor puede usarse como un interruptor haciéndolo trabajar entre corte y saturación.
Interruptor cerrado: transistor en saturación.
Interruptor abierto: transistor en corte.
Tiempos de encendido y apagadotd (delay time)= Es el que transcurre desde el instante en que se aplica la señal de entrada al dispositivo conmutador, hasta que la señal de salida alcanza el 10% de su valor final.
tr (rise time) = Tiempo que emplea la señal de salida para evolucionar desde el 10% hasta el 90% de su valor final.
ts (storage time) = Tiempo que transcurre desde que se quita la excitación de entrada y el instante en que la señal de salida baja al 90% de su valor inicial.
tf (fall time) = Tiempo que emplea la señal de salida para evolucionar desde el 90% hasta el 10% de su valor inicial.
tencendido = tr + td, tapagado = ts + tf
Transistores pnp
Todo lo dicho para transistores npn es válido para transistores pnp.
Las únicas diferencias es la polaridad de las fuentes y el sentido de las corrientes en las diferentes configuraciones estudiadas.
ejemploEncuentre VCE (10.16 V).
Estabilización de la polarización
La corriente de colector IC es sensible a los siguientes factores:
– Se incrementa al aumentar la temperatura
|VBE| - decrece 7.5 mV por grado centígrado
ICO – se duplica cada 10 grados centígrados
Cambio del punto Q
Factores de estabilidadSe definen los siguientes factores de estabilidad. El valor pequeño indica un circuito estable y un valor grande indica un circuito inestable.
C
BE
CBE
CO
CCO
IS
VI
VS
II
IS
S(ICO) polarización de emisor
EB
EBCO RR
RRIS
1
11
El análisis de la red da el siguiente valor para S(ICO)
Si RB/RE >> (+1) se simplifica a
1 COIS
EjemploEncontrar la estabilidad y el cambio en IC si ICO = 19.9 nA para RB/RE = a) 250, b) 10 y c) 0.01
S(ICO) polarización fija
1 COIS
Multiplicando el numerador y el denominador de la expresión de estabilidad de polarización de emisor por RE y haciendo RE = 0 se obtiene
Como puede verse la polarización fija tiene un factor de estabilidad muy pobre.
S(ICO) polarización por divisor
Eth
EthCO RR
RRIS
1
11
El análisis de la red da el siguiente valor para S(ICO)
Para mantener la estabilidad en valores adecuados es necesario mantener Rth/RE lo más pequeña posible.
S(ICO) polarización por retroalimentación
CB
CBCO RR
RRIS
1
11
El análisis de la red da el siguiente valor para S(ICO)
Para mantener la estabilidad en valores adecuados es necesario mantener RB/RC lo más pequeña posible.
Efecto de IB en la estabilidad
S(VBE)
EBBE RR
VS1
El análisis de la red da el siguiente valor para S(VBE)
Para polarización fija se simplifica a
B
BE RVS
Si (1 + ) >> RB/RE, se puede simplificar la primera expresión a
EEB
EBE RRR
RVS
11/
/
EjemploDetermine en factor de stabilidad S(VBE) y el cambio en IC desde 25ºC hasta 100ºC con ICO = -0.17 mV
a) Polarización fija RB = 240 kOhm y = 100
b) Polarización en emisor RB = 240 kOhm, RE = 1 kOhm y = 100
c) Polarización en emisor RB = 47 kOhm, RE = 4.7 kOhm y = 100