Curvas características

Carlos David Correa Santillan    electronica   

Al ser el transistor bipolar un dispositivo triterminal son necesarios seis parámetros para determinar el estado eléctrico del mismo: tres tensiones y tres corrientes. Aplicando las leyes básicas de resolución de circuitos pueden presentarse dos ecuaciones:

Por ello, los parámetros independientes se reducen a cuatro. En un circuito determinado y bajo la acción de unas excitaciones concretas, existirán unos valores de estos cuatro parámetros que caracterizan por completo el estado del transistor. Dicho cuarteto se denomina punto de operación (Q).

Las curvas características más empleadas en la práctica son las que relacionan V_BE con I_B y V_CE con I_C e I_B. Con frecuencia, estas curvas son facilitadas por los fabricantes.

Características V_BE-I_B

Mediante esta curva podemos determinar los efectos que producen las variaciones de la tensión de polarización V_BE sobre la corriente de base I_B. Estas gráficas reciben el nombre de curvas características de transferencia. Las curvas que se obtienen son muy similares a la de un diodo cuando se polariza directamente.

Estas tensiones permanecen prácticamente constantes, por lo que serán de gran ayuda para localizar averías en circuitos con transistores.

La función que liga V_BE con I_B es la característica de un diodo, y puede aplicarse dado que la unión base - emisor, es una pn normal, igual que la de diodo, y al polarizarla, seguirá el mismo comportamiento que aquel.

La curva representada en la figura sigue la expresión:

Características V_CE-I_C

Estas características también son conocidas como familia de colector, ya que son las correspondientes a la tensión e intensidad del colector. En la siguiente figura, se muestran una familia de curvas de colector para diferentes valores constantes de la corriente base.

Idealmente, en la Región Activa, la corriente de colector depende exclusivamente de la de base, a través de la relación I_C=β+I_B. Por lo tanto, en el plano V_CE-I_C la representación estará formada por rectas horizontales (independientes de V_CE) para los diversos valores de I_B (en este caso se ha representado el ejemplo para β=100).

Evidentemente, no se dibujan más que unos valores de I_B para no emborronar el gráfico. Para I_B=0, la corriente de colector también debe ser nula. La región de corte está representada por el eje de abscisas. Por contra, para V_CE=0 el transistor entra en saturación, luego esta región queda representada por el eje de ordenadas.

Hasta aquí se presenta la característica ideal, pero como era de esperar, la realidad es un poco más compleja, y las curvas quedarán como representa la siguiente figura:

Las diferencias son claras:

• En la Región Activa la corriente del colector no es totalmente independiente de la tensión colector-emisor. Para valores altos de la corriente cobra importancia la resistencia interna del transistor.
• La región de saturación no aparece bruscamente para V_CE=0, sino que hay una transición gradual. Típicamente se suele considerar una tensión de saturación comprendida entre 0.1V y 0.3V.

Estas curvas representan, en cierto modo, la forma de funcionamiento del transistor. Se puede comprobar que, para una tensión constante de colector-emisor, si se producen pequeñas variaciones de la corriente de base (del orden de µA) esto origina unas variaciones en la corriente de colector mucho más elevadas (del orden de mA), de lo cual se deduce la capacidad del transistor para amplificar corrientes.

Observa que, en la mayor parte de las curvas, la tensión V_CE afecta muy poco a la corriente de colector I_C. Si se aumenta V_CE demasiado (por encima de V_CEO), la unión del colector entra en la región de ruptura y éste puede llegar a destruirse. Sin embargo, si la tensión V_CE es muy pequeña (por debajo de los 0.7V), la corriente de colector será muy débil, obteniéndose una ganancia de corriente muy baja. En conclusión, para conseguir que el transistor trabaje como amplificador de corriente, la tensión de polarización inversa V_CE debe mantenerse por encima de 0.7V y por debajo de la tensión de ruptura.

Recta de carga del transistor

Hemos de conocer el comportamiento del transistor trabajando con una determinada resistencia de carga y averiguar el punto de funcionamiento del mismo. Para ello, trazamos la recta de carga del transistor en las curvas de colector para poder determinar los puntos de funcionamiento.

Para determinar la corriente que circula por el colector (emisor común), podemos aplicar la ley de Ohm entre los extremos de la resistencia de carga R_L. La tensión aplicada a esta resistencia se corresponderá con la tensión total aplicada por la fuente V_CC menos la caída de tensión que se produce entre el colector y el emisor V_CE. De esta forma obtendremos la siguiente expresión, que se corresponderá con la ecuación de la recta de carga:

Para dibujar esta recta sobre la cruva característica, lo primero que hay que hacer es encontrar sus extremos (I_C=0 y V_CE=0).

Para V_CE=0

Para I_C=0

Llevando estos valores a la curva característica de colector, obtendremos la recta de carga para una determinada resistencia de carga R_L y una fuente V_CC.

A lo larga de esta recta se pueden distinguir tres partes fundamentales: puntos de corte, punto de saturación, punto de trabajo.

El punto de corte es donde la línea de carga corta a la curva correspon-
diente a la corriente de base igual a cero (I_B=0). Dada la escasa polarización directa a que queda sometido el diodo de emisor-base, la corriente que aparece por el colector es prácti-
camente nula (sólo circula una pequeñísima corriente de fuga I_CEO). Haciendo una aproximación, se puede decir, sin equivocarse mucho, que el punto de corte se da en la intersección de la recta de carga con el eje horizontal, es decir cuando V_Cecorte=V_CC.

El punto de saturación aparece donde la línea de carga corta a la intensidad de base de saturación. En este punto, la corriente de colector es la máxima que se puede dar para la operación de transistor, dentro de los límites de la recta de carga. Haciendo una aproximación, se puede decir que el punto de saturación aparece en la intersección de la recta de carga con el eje vertical, es decir, cuando:

Para corrientes de base superiores a la de saturación se produce también el efecto de saturación en el transistor.

El punto de trabajo es aquél donde el transistor trabaja de una forma normal y que, normalmente, se encuentra entre la zona de corte de saturación. Para determinar el punto de trabajo (Q) de transistor para una determinada corriente de base (I_B), se busca el punto de intersección de la recta de carga con la curva correspondiente a dicha corriente de base.

Por último, hay que indicar que, cuando se diseña un circuito para un transistor, se tiene que procurar que el transistor nunca opere por encima de la curva de potencia máxima. Esto se consigue eligiendo valores adecuados de la tensión de fuente V_CC y de la resistencia de carga R_L, de tal forma que la recta de carga trazada con dichos valores, esté siempre por debajo de la curva de potencia máxima. En la figura siguiente, es esquematiza esta situación:

Obtención de la Ganancia a partir de las curvas características

La ganancia en corriente de un transistor se definía como la relación que se da entre la variación de la corriente d el colector y la variación de corriente de base. Para determinar dicha ganancia se puede recurrir a las características del colector.

Como ejemplo, supongamos que las curvas características del transistor ensayado es la que se muestra en la figura de la izquierda.

Para un punto de funcionamiento situado en V_CE=20V, según las cruvas de la figura de la izquierda, la intensidad de colector variará entre I_C=28mA e I_C=43mA, mientras que la intensidad de base lo hará entre I_B=0.10mA e I_B=0.15mA. La ganancia se calcula así:

Hemos de tener en cuenta que punto de funcionamiento se encuentra trabajando el transistor, es decir, la tensión que se le está aplicando al mismo, y con ello, la ganancia calculada, será para esa tensión de trabajo, siendo para otra, otra ganancia diferente de la calculada en otro punto.

Curva de máxima potencia del transistor

Una de las aplicaciones de las curvas características de un transistor, es que, a partir de éstas se pueden determinar los límites de funcionamiento del mismo. Estos límites están determinados por una potencia máxima que puede desarrollar un transistor sin provocar su destrucción.

Veamos en qué consiste éste fenómeno:

El transistor posee una resistencia entre el colector y el emisor, que varía en función dela intensidad que se le aplique a su base I_B. Por esta resistencia variable circula una corriente I_C, relativamente grande, que provoca en la misma una potencia calorífica o calentamiento, debido al efecto Joule. Esta potencia se calcula realizando el producto de la tensión V_CE, aplicada entre el colector y el emisor, por la instensidad de colector I_C. (P = V_CE·I_C).

Como esta potencia se transforma íntegramente en calor, provoca un aumento de la temperatura en el transistor que, en el caso de salirse de los límites admisibles, provocará la destrucción del mismo.

La potencia máxima trabajo de un transistor es un dato que proporciona los fabricantes en las hojas de especificaciones técnicas.

Así, por ejemplo, para el transistor BC107 se indica una potencia máxima de 300mW.

Con este dato se puede trazar una curva de potencia máxima sobre la familia de curvas de colector, para así poder determinar para qué tensiones de colector-emisor y corrientes de colector es posible trabajar con el transistor sin que se deteriore.

Por ejemplo, para no superar los valores límite, en el caso del transistor BC107 se deberá cumplir en todo momento la expresión:

Luego la curva de potencia máxima para este transistor será tal que el producto V_CE·I_C=0.3W.

En la figura de la derecha, se muestran las curvas correspondientes a la familia de colector del transistor BC107, y en las que se ha añadido la curva de potencia máxima.

La hipérbola divide a la característica en dos zonas diferenciadas: la zona prohibida de funcionami-
ento, que queda por encima de la misma (sombreado con naranja), en la cual la potencia es mayor de 300mW y, por lo tanto, es donde el transistor corre peligro de destrucción por la acción del calor; y la zona de trabajo, que queda por debajo de la hipérbola, y en la cual la potencia es inferior a 300mW.

Influencia de la temperatura ambiente en la potencia máxima de un transistor

La potencia máxima que puede disipar un transistor, en forma de calor, depende de la temperatura máxima permitida en la unión colector T_j(max). Esta temperatura nunca debe ser superada, ya que a partir de ella se puede destruir el transistor. Este dato aparece en las hojas de características del componente. Así, por ejemplo, el transistor BC107 posee una T_j (max) de 175ºC.

La potencia máxima a que puede trabajar un transistor también depende de la temperatura ambiente. Hay que tener en cuenta que el calor producido en las uniones se conduce a través del encapsulado del transistor y se disipa al aire que le rodea. Cuanto mayor sea la temperatura de este aire (temperatura ambiente), peor será la ventilación del transistor, y por lo tanto, menor la potencia máxima que se le puede exigir al mismo.

Por lo general, en las hojas de características técnicas se indica la potencia máxima para una temperatura ambiente de 25ºC.

En el caso de que la temperatura ambiente fuese superior habría que encontrar la potencia máxima de funcionamiento para que el transistor trabaje dentro de sus límites de temperatura admisibles. En algunas hojas de especificaciones técnicas aparece la curva de reducción, como la que se encuentra en la figura de la derecha.

Esta curva, nos indica que para una temperatura ambiente de 25ºC, la potencia máxima es de 125mW. Sin embargo, para 55ºC, la potencia máxima disminuye a 50mW.

En el caso de que se desee aumentar la potencia de un transistor, se puede acoplar un disipador de calor, o aleta de refrigeración en la superficie de la cápsula del mismo, de esta forma, se consigue que el calor se evacúe con mayor facilidad hacia el aire exterior.