Circuito de Polarización Fija
Circuito de Polarización Fija
En la figura se muestra un transistor del tipo NPN con sus circuito de polarización asociado, una fuente de señal alterna que entrega una corriente ib senoidal, con una frecuencia f y que en su salida está cargado con un parlante.
Se ha separado la fuente de alterna y el parlante con capacitores C1 y C2 para que la corriente continua que entrega la fuente VCC no altere el funcionamiento de estos.
Los valores de C1 y C2 se eligen de un valor adecuado para que brinden a la frecuencia de la fuente alterna una baja impedancia.
Los siguientes gráficos, muestran las corrientes que circulan por la base del transistor:
Corrientes IB, ib, iB
Antes del instante T, la llave L está abierta, por lo que la única corriente que entra a la base del transistor es IB, que es la corriente continua de polarización de base.
En el instante T, al cerrarse la llave L, la corriente alterna del generador ib atravesará el capacitor C1 y se sumará a la corriente IB ya existente, generando la corriente iB. Por lo tanto a la base del transistor entrará:
iB = IB + ib
Donde:
Ib = corriente alterna de base (provista por el generador)
IB = corriente continua de polarización de base (provista por VCC)
iB = suma de las dos corrientes anteriores
Un análisis similar puede hacerse con la corriente de colector:
iC = IC + ic
Donde:
ic = corriente alterna de colector (generada por ib amplificada)
IC = corriente contínua de polarización de colector (provista por VCC)
iC = corriente total de colector, suma de las anteriores
Para que un transistor bipolar pueda funcionar como amplificador, es necesario que el colector, la base y el emisor del mismo tengan valores de tensión adecuados. Dichos valores deben polarizar la juntura colectora en inversa y la emisora en directa. De esta manera se logra que el transistor esté en su zona activa.
Polarizar la juntura colectora en inversa significa que el colector debe tener mayor tensión que la base. Polarizar la juntura emisora en directa significa que la base debe tener mayor tensión que el emisor.
El procedimiento para polarizar el transistor se ve en siguiente figura, donde se hallarán los valores de VCC, RC y RB para que este funcione en su zona activa.
Características de entrada
Características de salida
Las curvas de los gráficos anteriores, muestran las características de entrada y salida del transistor, provistas por los fabricantes en los manuales
En el gráfico de características de entrada, se muestra la corriente de base en función de la tensión base - emisor.
En el gráfico de características de salida se muestra la corriente de colector en función de la tensión colector - emisor, con la corriente de base como parámetro.
Para el análisis que haremos, se supone que la llave L está abierta, entonces no habrá circulación de corriente alterna ib por la base del transistor.
Del manual se obtiene para este transistor los datos de VCE máxima e IC máxima, donde:
VCE máx = 20V
IC máx = 100mA
Teniendo en cuenta estos valores se traza, en el gráfico de características de salida, la recta de carga entre VCE = 15V e IC = 80 mA, es decir por debajo de los valores máximos permitidos para evitar la destrucción del transistor.
Aplicando la 2da. ley de Kirchoff, en la malla formada por VCC, RC, transistor y tierra en el circuito de Polarización fija, se puede plantear la siguiente ecuación:
VCC = IC . RC + VCE (1)
De esta ecuación, si IC = 0 mA, entonces VCC = VCE. Observando la recta de carga, esta situación corresponde al punto B, donde VCE = 15V. Así obtenemos que VCC = 15V
Si VCE = 0V, se está en el punto A de la recta de carga donde IC = 80 mA. Con estos valores en la ecuación (1), obtenemos el valor de RC:
RC = VCC / IC = 15V / 80 mA = 0.187 KOmhs
Para evitar distorsión por recortes debido a los valores máximos y mínimos de iB, se fija el punto de polarización del transistor (Q) aproximadamente en el centro de la recta de carga, que corresponde a un valor de IB = 100 microA.
De la malla conformada por VCC, RB, transistor y tierra, se puede plantear:
VCC = IB . RB + VBE (2)
A esta altura, ya sabemos que VCC = 15V; IB = 100 microA y VBE = 0.6 V. Se debe recordar que la juntura emisora debe estar polarizada en directa, por eso el valor de VBE es 0.6V para un transistor de silicio.
Reemplazando estos valores en la ecuación (2) y despejando, se obtiene el valor de RB:
RB = (VCC - VBE)/IB = (15V - 0.6V)/100 microA= 144 KOmhs
Se han obtenido los valores de las resistencias y tensión de fuente necesarios para polarizar el transistor en su zona activa. Estos valores hacen que cuando el transistor está en reposo (llave L abierta) tenga una IC = 40 mA y VCE = 7V, es decir que está en el punto Q de la recta de carga.
Al cerrar la llave L en el instante T, a la corriente IB se le suma la corriente ib. Se tiene ahora en la base la corriente iB. Trasladando estos valores sobre la recta de carga, se observa que el punto Q se mueve entre los puntos M (iB = 150 microA) y N (iB = 50 microA).
Conclusión: Se ha obtenido una ganancia de corriente importante pues, variaciones de corriente en la base del orden de los microA, generan en el colector variaciones de corriente del orden del mA.
Consideraciones especiales:
Este circuito recibe el nombre de polarización fija, por el hecho que no hay forma de que pueda corregir situaciones como las siguientes:
El fabricante, en los manuales, da valores máximos y mínimos entre los que varían los parámetros Ç y hfe. Supongamos que por rotura es necesario cambiar el transistor del circuito y seguramente los parámetros serán diferentes. Si el Ç y hfe del nuevo transistor son mayores, dada la relación
IC = Ç . IB
el aumento de Ç, genera un aumento de IC, por lo que el punto de polarización se desplazará hacia arriba en la recta de carga. Debido a este desplazamiento, el semiciclo positivo de ib puede llevar al transistor hacia la zona de saturación, donde aumentos de ib no generan aumentos de ic. Se produce entonces una deformación de la forma de onda de la corriente de salida iC.
Se puede llegar a una conclusión similar si el Ç y hfe del nuevo transistor son menores que el anterior. En este caso el transistor para los ciclos negativos de ib podría entrar en la zona de corte.
Una segunda causa de la inestabilidad del punto de polarización es la variación de la posición del mismo con la temperatura. La corriente ICO (corriente inversa de saturación del transistor) es una componente de la corriente de colector IC y varía fuertemente con la temperatura, se duplica por cada 10º de aumento de ésta; por lo tanto al aumentar la temperatura, aumenta IC.
Un aumento de la temperatura del transistor, por cualquier razón, hace que aumente la corriente de colector, lo que hace aumentar la temperatura de la juntura colectora que a su vez genera un nuevo aumento de IC.
Este proceso iterativo, puede hacer que el elemento se destruya.
Aún no teniendo lugar la serie de acontecimientos drásticos descriptos, el transistor no llega a destruirse, es posible que debido al corrimiento del punto de trabajo Q, se produzca distorsión de la señal amplificada.