Apuntes de electrónica

Bandas de energía (consideraciones de energía)

Vamos a comparar el transistor sin polarizar con el transistor polarizado en la zona activa.
Como se ve en el dibujo, las bandas de energía se han movido al polarizar el circuito en la zona activa. La zona n del colector a bajado y la zona n del emisor a subido con respecto al caso del circuito no polarizado. Ahora los electrones suben la barrera de potencial de la U_E, un 1 % se recombinan en la base, y el 99 % bajan la barrera de potencial de la U_Ccediendo una energía en forma de calor (DE).
Si estamos en el caso en el que el 1 % se recombina y el 99 % consigue pasar la barrera:

Otro coeficiente:

Significado de a_cc: De los electrones emitidos por el emisor, la mayoría llegan al colector, en nuestro ejemplo un 99 %. Ese mismo valor pero expresado en tanto por uno nos da el valor de a_cc (a_cc = 0,99 en nuestro caso).
Relación entre b_cc y a_cc:

Debemos de hacer la observación de que la proporción de recombinación en la base y recogidos por el colector respecto a los emitidos, varía de un transistor a otro. O sea, en nuestro ejemplo era de 1 % y 99 % respectivamente (a_cc = 0,99). Otros transistores tendrán otras proporciones y por tanto otro valor de a_cc.
EJEMPLO: a_cc = 0,98

Curvas de entrada y Efecto Early

Vamos a analizar las curvas de entrada de para 2 casos distintos:

Ajusto V_CE a 1 V y obtengo el punto A.
Ajusto ahora V_CE2 = 20 V y obtengo otro punto de I_B y V_BE (punto B). Con esto la curva queda más a la derecha. Nos da una curva distintas por el "Efecto Early". Veamos porque ocurre esto.
El emisor emite electrones libres (100 %), algunos se recombinan en la base y el resto van al colector hacia la pila V_CC.
EJEMPLO:  
Punto A: V_CE = 1 V
5 % se recombina y 95 % sigue al colector.

Punto B: V_CE = 20 V
Ahora el + 20 V atrae con más fuerza a los electrones que el + 1 V y cruzan más rápido la base, la probabilidad de recombinarse con un hueco es menor, con lo que llegan más al colector y la proporción a_cc aumenta. Esto produce una variación en el b_cc. Al recombinarse menos electrones en la base, la corriente de recombinación I_B disminuye.

Conclusión:

Corte y Ruptura

Veamos que ocurre cuando estando en corte vamos aumentamos el valor de V_CE:

Tenemos un valor en el que hay una ruptura por avalancha. Para que no ocurra la avalancha la V_CE tiene que estar por debajo de ese valor:

3ª aproximación
Normalmente usamos la 2ª aproximación, pero cuando hay errores muy grandes usaremos la 3ª aproximación.

Vamos a ver dos casos, con un transistor de pequeña señal y con uno de gran señal:

Transistor de pequeña señal  (potencia <= 0,5 W) 2N3904 IC = 100 mA    rBbe = 1,5 W Aproximamos los 0,85 a 0,7.

Transistor de gran señal (potencia > 0,5 W) 2N3055 Se trabaja con intensidades mayores, entonces las diferencias también son mayores. IC = 10 A    rBbe = 0,09 W VBE = 0,7 + 10 · 0,09 = 1,6 V

El punto de trabajo en el de gran señal esta más a la derecha que en el de pequeña señal. Las corrientes son tan grandes que la caída I_C·r_Bbe se hace importante, y habría que tenerla en cuenta. Si vemos la característica de salida:

SATURACIÓN: Para el 2N3904:

r_Bbc = 2,8 W   I_C = 100 mA

V_CE = I_C · r_Bbc = 0,28 V 

Este valor de V_CE nos aleja del ideal. Con el de gran señal (2N3055):

I_C = 10 A      r_Bbc = 0,5 W           V_CE = I_C· r_Bbc = 10· 0,5 = 0,5 V

Se aparta más del ideal que el anterior, porque el valor de V_CE es mayor, el de potencia tiene una inclinación mayor.

Resistencia transversal de base

Veamos lo que ocurre en la zona activa:

El electrón del 1 % (el que se recombina), tiene que cruzar una distancia muy larga para llegar a la pila. Toda zona tiene una resistencia:

Los electrones que no se recombinan también tiene que cruzar una sección y longitud, entonces también hay una resistencia, pero como el área (A) es tan grande se desprecian esas resistencias (r_e y r_c). Entonces solo nos fijaremos en la "Resistencia transversal de base", porque el área no es tan grande en esta zona y por lo tanto esta resistencia no se puede despreciar:

Además esto se ve acentuado si hacemos lo siguiente. Si aumenta la tensión inversa entre colector y base.

V_B'E vence la barrera de potencial de 0,7 V. Además de la barrera hay que tener en cuenta la resistencia:

El modelo de Ebers-Moll

El transistor se fundamenta en:

Se puede expresar su funcionamiento mediante el siguiente modelo equivalente:

V_BE' = Es la tensión entre los extremos de la zona de deplexión de la unión BE. Cuando esta tensión es mayor que aproximadamente 0,7 V, el emisor inyecta un gran número de electrones en la base.
a_cc = La corriente del diodo de emisor controla la corriente de colector. Por esta razón la fuente de corriente de colector obliga a que fluya una corriente a_cc·I_E en el circuito de colector.
Luego se podrían hacer aproximaciones:

• a_cc = 1 lo que implica que I_C = I_E
• r_b' = 0 un cortocircuito
• etc...

Diseñar un circuito en EC que cumpla los requisitos siguientes: V_BB = 5 V, V_CC = 15 V, h_FE = 120, I_C = 10 mA y V_CE = 7,5 V. Resolverlo usando la 2ª aproximación.
Solución:
Colocando los datos que da el problema en el circuito emisor común se ve que falta por determinar el valor de R_B y R_C.

Malla de entrada y ecuación de la ganancia:

Malla de salida:

Problema 6.2
En circuito de la figura, hallar utilizando la 1ª y 2ª aproximación:
a) La corriente de base.
b) La tensión colector-emisor.
c) La potencia disipada en el transistor.

Solución:
1ª aproximación

2ª aproximación

http://www.sc.ehu.es/sbweb/electronica/elec_basica/tema6/TEMA6.htm