EL TRANSISTOR BIPOLAR

Un transistor bipolar tipo npn, está formado por una capa de material tipo o entre dos de tipo n. Dicha capa p se denomina base. Las capas n se denominan colector y emisor. Esta configuración supone que existen dos uniones pn una colector base y otra emisor-base. En la figura se han recogido las configuraciones del transistor, su símbolo y la dirección de las corriente considerando las polaridades de las uniones pn.

En un transistor pnp, la unión base emisor está directamente polarizada, mientras que la base colector está polarizada de forma inversa. Por dicho motivo se pueden trazar curvas características de cada transistor. En dichas curvas se distinguen 3 zonas: Zona de corte (1), Zona activa (2) y Zona de saturación (3).

En la zona de corte, los voltajes aplicados no son suficientemente altos y por ello, la intensidad del colector ( y la de la base) son prácticamente nulas.  Para  0,2 V<Vce<Vbe la unión pn del colector se polariza en directa, aunque no lo suficiente como para causar una corriente directa significativa, por lo que la intensidad que circula por el colector es constante cuando el Vce<0,2 V. Se dice que el transistor está en saturación. Entre dichos dos estados, el transistor se comporta como un pequeño amplificador. Definimos B= ic/ib (ganancia del transistor),  sus valores se encuentran entre 10 y 100. Aplicando la ley de Kirchhoff para el transistor se cumple que ie=ic+ib.

           Analogamente existen transistores bipolares  pnp, en los que cumplen los mismos principios que los explicados para lo npn. Con la única diferencia referida a la dirección de las corrientes en emisor, base y colector. El valor normal de B es 100..

           Una vez analizada la curva característica de un transistor bipolar, analicemos qué ocurre al conectar el transistor a un circuito común, como el de la figura:

Aplicando la Ley de Ohm resultará que existe una rama correspondiente al colector- emisor del transistor, que podría expresarse:

Ic = (Vcc - Vce) / Rc

Ib = (Vbb- Vbe) / Rb (Vbb=Vcc en este circuito)

Es decir que en ambos casos Vcc alimenta a la rama principal y a la rama de la base. Vbe una unión pn cuyo valor, en saturación, sólo depende de que el transistor sea de germanio o de silicio. Por ello, siempre se toma como valor 0,7 V. Para resolver el sistema de ecuaciones anterior, hay que considerar que ic= Bib. En dicho caso, podriamos obtener una recta (que es la recta de trabajo), en la cual se representaría ic en función de Vce. Considerando ib, se obtiene sobre la curva característica el denominado punto de trabajo del transistor, si la terna de valores resultantes no da un absurdo matemático. Puede suceder que los valores obtenidos sean absurdos porque el transistor esté trabajando en la zona de corte o en la zona de saturación.

Para explicar mejor esta idea pongamos ejemplos.

1.- Un transistor npn, tiene un valor de B=100. Determinar la región de funcionamiento si

a) Vbe = -0,2 V y Vce = 5 V.
Tenemos Vbe< 0  y Vbc = Vbe - Vce = -0,2 -5 <0. Es decir que los dos diodos del transistor están polarizados a la inversa y por lo tanto el transistor debe estar en corte.

b)  ib = 50 uA (microamperios)  Ic = 2 mA.
La relación Ic/Ib > 100 (B) lo cuay sólo es posible si el transistor está en saturación

c) Vce =5V y Ib = 50 uA (microamperios)
Por los datos que nos dan el transistor deberá estár en activa.

2.-  Un transistor npn tiene un valor B=100. Determinar la región de funcionamiento si
a) Ib= 50 uA e Ic=  3 mA
b) Ib= 50 uA e Vce = 5V
c) Vbe=-2V y Vce= -1V

3.- Explique el funcionamiento del siguiente circuito en el que existe una resistencia LDR

4.- Diseñe un circuito que sea sensible a luminosidad externa.

Al contestar a esta pregunta ya se contesta a la anterior. 

El diseño del circuito precisaba la elección de los elementos claves. 1.- Una LDR: Resistencia capaz de modificar su valor con la luz debido a que está construida con CdS sensible a la luz. Disminuye el valor con la intensidad de luz 2.- Un transistor bipolar: Cuando la intensidad de la base sea pequeña estará en corte, y como consecuencia la intensidad del colector nula, y el elemento colocado en el colector no funcionará. Si por el contrario la intensidad que circula por la base es suficiente el transistor estará en saturación o activa y dependiendo del elemento funcionará o no. 3.- Elemento eléctrico/electrónico del colector. Si queremos trabajar con tensiones bajas la mejor opción es un LED y a ser posible verde. La razón es que se satura fácilmente y con valores de intensidad y tensión muy pequeños. El diodo puede precisar una pequeña resistencia con la finalidad de que no se queme el diodo. 4.- Un elemento regulador: El elemento regulador más recomendado es un potenciómetro. Con ello, se puede proponer un circuito muy sencillo:

 V_cc=V_Diodo+ic Rc+ V_CE ic=βib V_cc=ib Rb+V_BE El parámetro β suele ser del orden de 100 cuando se trabaja en activa, aunque dependerá del transistor que seleccionemos para el circuito. VBE=0,7 V. En una primera aproximación VDiodo, se puede suponer 0,7 V. Vcc debe ser baja ya que de lo contrario se podría quemar el diodo o el transistor. En este circuito cuando haya luz suficiente la resistencia de la base será baja y como consecuencia el diodo lucirá. En caso contrario estará en corte. Para mejorar el circuito y considerando que afectos prácticos el diodo deberá lucir en caso de que la luz sea escasa, será preciso cambiar el diseño. El nuevo diseño propuesto es el siguiente:

Para entender este circuito tenemos que transformarle en uno equivalente al anterior. La resistencia LDR y el potenciómetro están conectados en paralelo. Por lo que la resistencia equivalente será Rb= R(LDR)*R(Potenciomentro) / R(LDR)+ R(Potenciometro). Pero para hallar la tensión a la cual está la base será preciso considerar el divisor de tensión, resultando: Vb= Vcc/ R(LDR)+R(Potn) *R(LDR) En definitiva cuanto mayor es el valor de la LDR (poca luz) mayor es el valor de alimentación de la tensión. Por lo tanto también será mayor la intensidad de la base, y también la intensidad del colector haciendo lucir el diodo. Por el contrario si la LDR es baja (mucha luz), la alimentación en la base es baja y también la intensidad de la base y la del colector, haciendo que el transistor esté en corte y no luzca el diodo. La segunda parte del proyecto consiste en diseñar las pistas y construir el impreso. El proceso es sencillo. 1º) Se dibuja el circuito sobre papel milimetrado 2º) Se realizan los agujeros de las islas de los diferentes componentes electrónicos y a continuación las pistas que las unen 3º) Se calca el circuito en un papel vegetal. 4º) Se le da la vuelta ya que la placa de cobre se deberá pasar la imagen especular. 5º) Se le da una primera capa con lápiz 6º) El dibujo se calca sobre la placa de cobre virgen 7º) Se repasa con papel de calco 8º) Se repasa con un rotulador de tinta indeleble 9º) Se ataca químicamente con perborato en medio ácido 10º) Se limpia 11º) Se taladra 12º) Se realiza la litografia Y finalmente el circuito diseñado y montado sobre una placa protoboard se translada al impreso y se sueldan. En la última etapa se le da un barniz que aisle la pistas. En la siguiente presentación se explica el proceso:
El resultado final se aprecia en el siguiente video:
















  Si la salida es un relé, el resultado se ve en el siguiente video: