Introducción Para operar el BJT como un interruptor, se
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utilizan de manera combinada los modos de operación corte y saturación. La interrupción de corriente sólo puede ser del tipo de corriente directa. El camino de interrupción es entre el colector y el emisor. Su aplicación es principalmente en circuitos de control y en circuitos digitales.
EL BJT COMO INTERRUPTOR MODOS CORTE-SATURACIÓN 46
Modelado de un transistor npn en saturación
Modo de operación Saturación La Figura 11 muestra la región de operación en modo saturación. Un diodo en polarización directa necesita al menos 0.4 04V V; antes t d de este t valor l el diodo se puede decir que se encuentra en polarización inversa Si esto se aplica al inversa. transistor npn en la unión basecolector, el transistor se mantiene en modo activo. activo Por lo tanto es necesario un voltaje de polarización directo superior a 0.4 V,, entre la base y el colector,, para que el transistor entre en modo de saturación.
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Cuando el diodo DC, Figura 12,de la unión BC comienza a conducir la corriente iBC se resta de la fuente controlada de corriente, el resultado es la reducción de iC. Por lo tanto la corriente iB a través de el diodo DC se incrementa. La corriente de colector está dada por iC = I S e vBE /VT − I SC e vBC /VT
β forzada =
iC iB
≤β saturación
El voltaje colector-emisor en saturación es VCEsat = VBE − VBC 0.1 a 0.3V Típicamente se considera VCEsat = 0.2V
la corriente de base es
Figura 11. Relación iC - vCB. iE se mantiene constante en modo activo, en modo saturación iC decrece. 48
I iB = ⎛⎜ S ⎞⎟ evBE /VT − I SC evBC /VT ⎝ β⎠ Combinando las ecuaciones se obtiene bi lla relación l ió iC/iB para modo d de saturación, llamada βforzada.
Figura 12. Modelado de un transistor tipo npn en modo de operación 49 saturación.
Análisis BJT. BJT Interruptor abierto
Análisis BJT. BJT Interruptor cerrado
Para valores de vI < 0.5 V, el transistor se considera en corte. Así que iB = 0, iC = 0 y vC = VCC. En este estado, el nodo C se considera desconectado de la referencia. El interruptor está en posición de abierto abierto.
Si se incrementa vI, iB también se incrementa y vC decrecerá. vC puede llegar a un valor menor a 0.4 V menos que vB, lo que hace que el transistor salga del modo activo y entre a la región de saturación. Este punto se define como borde de la saturación (EOSEdge Of Saturation) V − 0.3V I C ( EOS) = CC RC donde la corriente de base en esta situación it ió es I C ( EOS) I B( EOS) =
Para encender el transistor, se tiene que incrementar el valor de vI p por arriba de 0.5 V; un valor típico es de VBE = 0.7 V, por lo tanto vI debe de ser mayor a VBE. La corriente de base es v − VBE iB = I RB y la corriente de colector iC = β iB l cuall aplica la li ú únicamente i sii ell BJT está á en modo activo.
Esto significa que la unión BC no está en polarización directa,vC > ( vB − 0.4V ),donde vC está dado p por vC = VCC − RCiC
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Ganancia y Factor de Saturación Ganancia en corriente La ganancia en corriente de emisor común disminuye y la nueva relación se llama βforzada. Queda expresada por
β forzada
I = Csat IB
VCC − VCEsat RC En este momento el transistor se encuentra como interruptor cerrado con una resistencia RCEsat cerrado, muy baja y un pequeño VCEsat I Csat =
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Análisis en modo saturación (1)
Factor de saturación La relación de la corriente de base y la corriente de base al borde de saturación se llama factor de saturación
FS =
β
El valor requerido de vI para que el transistor entre en saturación es VI ( EOS) = I B( EOS) RB + VBE
Para un valor de vI >VI(EOS), la corriente de base se incrementa hasta llevar al transistor a una saturación profunda. El voltaje colector colector-emisor emisor decrece ligeramente hasta un valor razonable denominado VCEsat=0.2 V. La corriente de colector se mantiene constante y está expresada por
Calcular todos los voltajes y corrientes en el siguiente circuito circuito. Asumir que el valor de β es muy grande y VBE = 0.7 V. V no es posible, V no Si el transistor estuviese en modo activo,
β es α=
∴
β β +1
≅1
e ⎛I ⎛I ⎞ I E = ⎜ C ⎟ = IC , I B = ⎜ C ⎝α ⎠ ⎝β
⎞ ⎟=0 ⎠
El voltaje en el emisor es VE = 6V − VBE = 6V − 0.7V=5.3V
IB I B( EOS)
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C
E
puede ser mayor que VC. La solución es inconsistente para operar en modo activo, Por lo tanto el transistor se encuentra en modo saturación saturación. IC ≠ IE, e IB ≠ 0 A El voltaje colector-emisor en saturación es ≈ 00.2 2V V, ∴
La corriente de emisor es V − 0 V 5.3 V 1.6 mA IE = E = 3.3 kΩ RE
el voltaje en el colector es VC = VE + VCEsat = 5.3 V + 0.2 V = 5.5 V
Si la suposición de I C = I E es correcta,
IC =
el voltaje en el colector es
VC = VCC − I C RC = 10 V − (1.6 mAi4.7 kΩ ) = 2.58 V
La corriente de colector es
VCC − VC 10 VV 55.5 5V = = 0.957 mA RC 4.7 kΩ
53 I ∂ = I E − I C = 1.6 mA − 0.957 mA = 0.643 mA
Referencias Sedra Adel S.,, Smith Kenneth C.,, Microelectronic
Circuits, Fourth edition, Oxford University Press, 1998. Boylestad, B l t d Robert R b tL L., L Louis i Nashelsky, N h l k Electrónica: El t ó i Teoría de Circuitos y Dispositivos Electrónicos, 10a edición, México: Pearson Educación, 2009. Sedra Adel S., Smith Kenneth C., Microelectronic Circuits, Sixth edition, Oxford University Press, 2010. Semiconductor S i d t Technical T h i l Data, D t MPS 2222/D 2222/D, Motorola. © Todas las figuras son propiedad de Microelectronics Circuits, Fourth Ed. 66
