Fundamentos Esenciales de Transistores BJT y FET: Polarización, Zonas de Operación y Clases de Amplificadores
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Tipos de Transistores y sus Características
Transistores de Unión Bipolar (BJT)
- De señal: Utilizados para manejar pequeñas corrientes.
- De potencia: Diseñados para manejar altas corrientes y tensiones.
- De conmutación (Schottky): Optimizados para operar como interruptores rápidos.
- Fototransistor: Sensible a la luz.
- De audiofrecuencia.
- De alta frecuencia.
Transistores de Efecto de Campo (FET)
- JFET (Junction FET): De agotamiento y enriquecimiento (canal N y P).
- MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET): PMOS, NMOS y CMOS.
- VMOS (Vertical MOSFET).
Aplicaciones Fundamentales de los Transistores
- Llave electrónica e interruptor.
- Amplificador de señal.
Otras Aplicaciones
- Adaptador de impedancia: El transistor adapta las impedancias para que sean iguales. Deben tener la misma impedancia para lograr un rendimiento óptimo en la transferencia de energía (E).
- Oscilador: Genera una onda senoidal, a menudo con componentes adicionales.
Polarización y Punto de Trabajo (Punto Q)
Concepto de Polarización
Para la polarización se debe suministrar una tensión en la juntura de entrada y en la de salida para fijar un Punto de Trabajo. La polarización fundamentalmente suministra la energía necesaria para que el componente amplifique.
Zonas de Operación del BJT
Zona Activa (Amplificación)
- Se debe cumplir: $I_C = \beta \times I_B$.
- $\beta$ (Ganancia): Es un dato proporcionado por el fabricante. Si no se conoce, se mide con el multímetro en modo $h_{FE}$.
- Rango típico de $\beta$: (30 a 400). No es fija, ya que ningún transistor es idéntico a otro.
- Juntura de entrada en Polarización Directa (PD) y salida en Polarización Inversa (PI).
- $V_{BE} \approx 0.7 V$.
- $0 < V_{CE} < V_{CC}$.
- Uso principal: Amplificación.
Zona de Corte (Llave Abierta)
- Juntura de entrada en PI y salida en PI.
- Si se sigue aumentando la tensión $V_{CE}$ en la curva, se llega a un valor $BV_{CEO}$ (Tensión de Ruptura Colector-Emisor), donde el dispositivo se quema.
- $I_B = 0$ (constante).
- $V_{CE} \approx V_{CC}$.
- $0 < V_{BE} < 0.7 V$.
- Uso: Llave abierta.
Zona de Saturación (Llave Cerrada)
- Juntura de entrada en PD y salida en PD.
- Se puede aumentar mucho $V_{BB}$ (tensión de polarización de entrada) o disminuir $R_B$ si se quiere llevar el transistor a saturación.
- $I_C$ es máxima (independiente de $I_B$).
- $V_{CE} \approx 0 V$.
- $V_{BE} > 0.7 V$.
- Uso: Llave cerrada.
Recta de Carga y Punto Q
Recta de Carga
La Recta de Carga muestra el lugar geométrico de todas las posibilidades de tensión y corriente en función de la $V_{CC}$ seleccionada y la $R_C$. Es independiente del transistor.
Punto Q (Punto de Trabajo)
El punto Q es la intersección de una curva característica seleccionada y la Recta de Carga. El punto Q es el punto de polarización, y a partir de allí, la tensión de entrada en alterna variará respecto a este punto.
La ecuación de la Recta de Carga es: $I_C = \frac{V_{CC}}{R_C} - \frac{1}{R_C} V_{CE}$.
Seguridad Operacional y Clases de Amplificadores
S.O.A.R. (Safe Operating Area / Área de Operación Segura)
El SOAR se puede expandir agregando un disipador de calor, lo que aumenta la potencia máxima ($P_{max}$) que el dispositivo puede manejar, incrementando así el área segura. (Requiere un cálculo de disipador).
Clases de Amplificadores
Clase A
El punto Q está en el 50% de la recta de carga (máxima excursión simétrica).
Clase B
El punto Q se encuentra casi en la zona de corte. Para su utilización, se emplea un Amplificador PUSH-PULL o Complementario que permite unir las ondas.
- Distorsión por cruce: Ocurre cuando un transistor comienza a conducir antes o el otro sigue conduciendo cuando no debería.
Clase C
El punto Q se coloca con una llave de polarización negativa.
- Ventaja: Elimina la distorsión por cruce.
- Desventaja: Reduce el ángulo de amplificación.
El Circuito Autopolarizado
Se simplifica la entrada del circuito autopolarizado.
- Parte del Emisor: La resistencia $R_E$ se calcula para cumplir su función de compensar el efecto térmico que puede ocasionar el desplazamiento del Punto Q.
- Función del Capacitor $C_E$: Funciona como un circuito abierto en Corriente Continua (CC) (donde se genera el calentamiento) y como un cortocircuito en Corriente Alterna (CA), ya que la $R_E$ sin $C_E$ distorsionaría la señal de salida.