Modos de operación del transistor: Región lineal, Región de corte

1.3.- Modos de operación de un transistor bipolar

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 (Tabla 1.1): saturación, lineal, corte y ruptura; estas zonas se indican claramente en la figura 1.2 que representa las zonas de operación de un 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.

Región activa lineal

En la región activa lineal, 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:

Sustituyendo la ecuación 1.1 en 1.7, resulta: ,

siendo:

ßF, 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 (1.9) puede ser despreciado frente al primero. Como resultado, se obtiene una relación muy utilizada para analizar transistores que operen en esta región

La ecuación (1.11) 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. El fabricante asigna un valor típico (typ) a ese transistor con un rango de valores comprendido entre un máximo (max) y un mínimo (min). Por ejemplo, el BC547B tiene, para una IC= 2 mA, una hFE (min) = 200, hFE (typ) = 290 y hFE (max) = 450.

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. En la figura 1.3 se muestra una de estas curvas

que incluye el valor típico de la hFE con un rango de valores máximo y mínimo.

3) Temperatura. La dependencia de la hFE con la temperatura se puede observar en las gráficas que proporciona el fabricante para tal fin. En la figura 1.4 se describe diferentes curvas normalizadas a 25º de hFE para temperaturas de -55ºC y 175ºC.

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 a:

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 y está en corte cuando esas corrientes son muy bajas.

Normalmente, se asigna una VBE umbral (VBEy) a partir de la cual las corrientes tienen un valor suficientemente alto; esta VBE y suele estar comprendida entre 0.4 y 0.5 V. En la figura 1.5 se muestra gráficamente la relación entre la VBE y la IC en donde se puede observar como por debajo de 0.58 V (typ) la corriente de colector es de bajo valor (<100µ).

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