Electrónica básica: configuraciones de transistores
Un transistor tiene 3 terminales, el emisor, la base y el colector. Usando estos 3 terminales, el transistor se puede conectar en un circuito con un terminal común tanto a la entrada como a la salida en 3 configuraciones diferentes posibles.
Los tres tipos de configuraciones son Common Base, Common Emitter y Common Collectorconfiguraciones. En cada configuración, la unión del emisor está polarizada hacia adelante y la unión del colector está polarizada hacia atrás.
Configuración de base común (CB)
El nombre en sí implica que el terminal Base se toma como terminal común tanto para la entrada como para la salida del transistor. La conexión de base común para los transistores NPN y PNP se muestra en la siguiente figura.
En aras de la comprensión, consideremos el transistor NPN en configuración CB. Cuando se aplica el voltaje del emisor, ya que está polarizado hacia adelante, los electrones del terminal negativo repelen los electrones del emisor y la corriente fluye a través del emisor y la base hacia el colector para contribuir con la corriente del colector. El voltaje del colectorVCB se mantiene constante a lo largo de este.
En la configuración CB, la corriente de entrada es la corriente del emisor IE y la corriente de salida es la corriente del colector IC.
Current Amplification Factor (α)
La relación entre el cambio en la corriente del colector ($ \ Delta I_ {C} $) y el cambio en la corriente del emisor ($ \ Delta I_ {E} $) cuando el voltaje del colector VCB se mantiene constante, se llama como Current amplification factor. Se denota por α.
$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}} \: \: en \: constante \: V_ {CB} $$
Expresión de la corriente del colector
Con la idea anterior, intentemos dibujar alguna expresión para la corriente de colector. Junto con la corriente del emisor que fluye, hay una cierta cantidad de corriente de base IB que fluye a través del terminal de la base debido a la recombinación de huecos de electrones. Como la unión colector-base tiene polarización inversa, hay otra corriente que fluye debido a los portadores de carga minoritarios. Esta es la corriente de fuga que puede entenderse comoIleakage. Esto se debe a que las compañías de carga son minoritarias y, por lo tanto, muy pequeñas.
La corriente del emisor que llega al terminal del colector es
$$ \ mathbf {\ mathit {\ alpha I_ {E}}} $$
Corriente total del colector
$$ I_ {C} \: = \: \ alpha I_ {E} \: + \: I_ {fuga} $$
Si el voltaje de la base del emisor V EB = 0, incluso entonces, fluye una pequeña corriente de fuga, que puede denominarse I CBO (corriente de la base del colector con la salida abierta).
Por tanto, la corriente del colector se puede expresar como
$$ I_ {C} \: = \: \ alpha I_ {E} \: + \: I_ {CBO} $$
$$ I_ {E} \: = \: I_ {C} \: + \: I_ {B} $$
$$ I_ {C} \: = \: \ alpha (I_ {C} \: + \: I_ {B}) \: + \: I_ {CBO} $$
$$ I_ {C} (1 \: - \: \ alpha) \: = \: \ alpha I_ {B} \: + \: I_ {CBO} $$
$$ I_ {C} \: = \: (\ frac {\ alpha} {1 \: - \: \ alpha}) \: I_ {B} \: + \: (\ frac {I_ {CBO}} { 1 \: - \: \ alpha}) $$
$$ I_ {C} \: = \: (\ frac {\ alpha} {1 \: - \: \ alpha}) \: I_ {B} \: + \: (\ frac {1} {1 \: - \: \ alpha}) I_ {CBO} $$
Por lo tanto, el derivado anterior es la expresión de corriente de colector. El valor de la corriente del colector depende de la corriente base y la corriente de fuga junto con el factor de amplificación de corriente de ese transistor en uso.
Características de la configuración de CB
Esta configuración proporciona ganancia de voltaje pero no ganancia de corriente.
Siendo VCBconstante, con un pequeño aumento en el voltaje de base del emisor V EB , corriente del emisorIE aumenta.
Corriente del emisor IE es independiente del voltaje del colector VCB.
Voltaje del colector VCB puede afectar la corriente del colector ICsólo a tensiones bajas, cuando V EB se mantiene constante.
La resistencia de entrada ri es la relación entre el cambio en el voltaje base del emisor ($ \ Delta {V_ {EB}} $) y el cambio en la corriente del emisor ($ \ Delta {I_ {E}} $) a voltaje base del colector constante VCB.
$$ \ eta \: = \: \ frac {\ Delta {V_ {EB}}} {\ Delta {I_ {E}}} \: \: en \: constante \: V_ {CB} $$
Como la resistencia de entrada es de un valor muy bajo, un valor pequeño de V EB es suficiente para producir un gran flujo de corriente del emisor.IE.
La resistencia de salida r o es la relación de cambio en el voltaje base del colector ($ \ Delta {V_ {CB}} $) al cambio en la corriente del colector ($ \ Delta {I_ {C}} $) a corriente constante del emisorIE.
$$ r_ {o} \: = \: \ frac {\ Delta {V_ {CB}}} {\ Delta {I_ {C}}} \: en \: constante \: l_ {E} $$
Como la resistencia de salida es de un valor muy alto, un gran cambio en VCB produce un cambio muy pequeño en la corriente del colector IC.
Esta configuración proporciona una buena estabilidad frente al aumento de temperatura.
La configuración CB se utiliza para aplicaciones de alta frecuencia.
Configuración de emisor común (CE)
El nombre en sí implica que el EmitterEl terminal se toma como terminal común tanto para la entrada como para la salida del transistor. La conexión de emisor común para los transistores NPN y PNP se muestra en la siguiente figura.
Al igual que en la configuración de CB, la unión del emisor está polarizada hacia adelante y la unión del colector está polarizada hacia atrás. El flujo de electrones se controla de la misma manera. La corriente de entrada es la corriente baseIB y la corriente de salida es la corriente del colector IC aquí.
Base Current Amplification factor (β)
La relación entre el cambio en la corriente del colector ($ \ Delta {I_ {C}} $) y el cambio en la corriente base ($ \ Delta {I_ {B}} $) se conoce como Base Current Amplification Factor. Se denota por β
$$ \ beta \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$
Relación entre β y α
Intentemos derivar la relación entre el factor de amplificación de la corriente de base y el factor de amplificación de la corriente del emisor.
$$ \ beta \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$
$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {E}}} $$
$$ I_ {E} \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {C} $$
$$ \ Delta I_ {E} \: = \: \ Delta I_ {B} \: + \: \ Delta I_ {C} $$
$$ \ Delta I_ {B} \: = \: \ Delta I_ {E} \: - \: \ Delta I_ {C} $$
Podemos escribir
$$ \ beta \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta I_ {E} \: - \: \ Delta I_ {C}} $$
Dividiendo por $$
$$ \ beta \: = \: \ frac {\ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}}} {\ frac {\ Delta I_ {E}} {\ Delta I_ {E}} \: - \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}}} $$
$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}} $$
Tenemos
$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}} $$
Por lo tanto,
$$ \ beta \: = \: \ frac {\ alpha} {1- \ alpha} $$
De la ecuación anterior, es evidente que, cuando α se acerca a 1, β alcanza el infinito.
Por lo tanto, the current gain in Common Emitter connection is very high. Esta es la razón por la que esta conexión de circuito se usa principalmente en todas las aplicaciones de transistores.
Expresión de corriente de colector
En la configuración del emisor común, IB es la corriente de entrada y IC es la corriente de salida.
Sabemos
$$ I_ {E} \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {C} $$
Y
$$ I_ {C} \: = \: \ alpha I_ {E} \: + \: I_ {CBO} $$
$$ = \: \ alpha (I_ {B} \: + \: I_ {C}) \: + \: I_ {CBO} $$
$$ I_ {C} (1 \: - \: \ alpha) \: = \: \ alpha I_ {B} \: + \: I_ {CBO} $$
$$ I_ {C} \: = \: \ frac {\ alpha} {1- \ alpha} I_ {B} \: + \: \ frac {1} {1- \ alpha} \: I_ {CBO} $ PS
Si el circuito base está abierto, es decir, si IB = 0,
El colector emisor de corriente con base abierta es I CEO
$$ I_ {CEO} \: = \: \ frac {1} {1- \ alpha} \: I_ {CBO} $$
Sustituyendo el valor de este en la ecuación anterior, obtenemos
$$ I_ {C} \: = \: \ frac {\ alpha} {1- \ alpha} I_ {B} \: + \: I_ {CEO} $$
$$ I_ {C} \: = \: \ beta I_ {B} \: + \: I_ {CEO} $$
Por tanto, se obtiene la ecuación para la corriente del colector.
Voltaje de rodilla
En configuración CE, manteniendo la base actual IB constante, si VCE es variado, IC aumenta casi a 1v de VCEy se mantiene constante a partir de entonces. Este valor deVCE hasta que corriente de colector IC cambia con VCE se llama el Knee Voltage. Los transistores mientras operan en configuración CE, funcionan por encima de este voltaje de rodilla.
Características de la configuración CE
Esta configuración proporciona una buena ganancia de corriente y de voltaje.
Acuerdo VCE constante, con un pequeño aumento en VBE la corriente base IB aumenta rápidamente que en las configuraciones CB.
Por cualquier valor de VCE por encima del voltaje de la rodilla, IC es aproximadamente igual a βIB.
La resistencia de entrada ri es la relación de cambio en el voltaje del emisor base ($ \ Delta {V_ {BE}} $) al cambio en la corriente base ($ \ Delta {I_ {B}} $) a voltaje constante del emisor del colector VCE.
$$ r_ {i} \: = \: \ frac {\ Delta {V_ {BE}}} {\ Delta {I_ {B}}} \: en \: constante \: V_ {CE} $$
Como la resistencia de entrada es de un valor muy bajo, un pequeño valor de VBE es suficiente para producir un gran flujo de corriente de corriente base IB.
La resistencia de salida ro es la relación de cambio en el voltaje del emisor del colector ($ \ Delta {V_ {CE}} $) al cambio en la corriente del colector ($ \ Delta {I_ {C}} $) en constante IB.
$$ r_ {o} \: = \: \ frac {\ Delta {V_ {CE}}} {\ Delta {I_ {C}}} \: en \: constante \: I_ {B} $$
Como la resistencia de salida del circuito CE es menor que la del circuito CB.
Esta configuración se usa generalmente para métodos de estabilización de polarización y aplicaciones de frecuencia de audio.
Configuración de colector común (CC)
El nombre en sí implica que el CollectorEl terminal se toma como terminal común tanto para la entrada como para la salida del transistor. La conexión de colector común para los transistores NPN y PNP se muestra en la siguiente figura.
Al igual que en las configuraciones CB y CE, la unión del emisor está polarizada hacia adelante y la unión del colector está polarizada hacia atrás. El flujo de electrones se controla de la misma manera. La corriente de entrada es la corriente baseIB y la corriente de salida es la corriente del emisor IE aquí.
Current Amplification Factor (γ)
La relación entre el cambio en la corriente del emisor ($ \ Delta {I_ {E}} $) y el cambio en la corriente base ($ \ Delta {I_ {B}} $) se conoce como Current Amplification factoren configuración de colector común (CC). Se denota porγ.
$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {E}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$
La ganancia actual en la configuración CC es la misma que en la configuración CE.
La ganancia de voltaje en la configuración CC es siempre menor que 1.
Relación entre γ y α
Intentemos trazar alguna relación entre γ y α
$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {E}}} {\ Delta {I_ {B}}} $$
$$ \ alpha \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {C}}} {\ Delta {I_ {E}}} $$
$$ I_ {E} \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {C} $$
$$ \ Delta I_ {E} \: = \: \ Delta I_ {B} \: + \: \ Delta I_ {C} $$
$$ \ Delta I_ {B} \: = \: \ Delta I_ {E} \: - \: \ Delta I_ {C} $$
Sustituyendo el valor de I B , obtenemos
$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ Delta {I_ {E}}} {\ Delta {I_ {E}} \: - \: \ Delta I_ {C}} $$
Dividiendo por $ \ Delta I_ {E} $
$$ \ gamma \: = \: \ frac {\ frac {\ Delta I_ {E}} {\ Delta I_ {E}}} {\ frac {\ Delta I_ {E}} {\ Delta I_ {E}} \: - \: \ frac {\ Delta I_ {C}} {\ Delta I_ {E}}} $$
$$ \ frac {1} {1 \: - \: \ alpha} $$
$$ \ gamma \: = \: \ frac {1} {1 \: - \: \ alpha} $$
Expresión de corriente de colector
Sabemos
$$ I_ {C} \: = \: \ alpha I_ {E} \: + \: I_ {CBO} $$
$$ I_ {E} \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {C} \: = \: I_ {B} \: + \: (\ alpha I_ {E} \: + \: I_ {CBO}) $$
$$ I_ {E} (1 \: - \: \ alpha) \: = \: I_ {B} \: + \: I_ {CBO} $$
$$ I_ {E} \: = \: \ frac {I_ {B}} {1 \: - \: \ alpha} \: + \: \ frac {I_ {CBO}} {1 \: - \: \ alpha} $$
$$ I_ {C} \: \ cong \: I_ {E} \: = \: (\ beta \: + \: 1) I_ {B} \: + \: (\ beta \: + \: 1) I_ {CBO} $$
Lo anterior es la expresión de corriente de colector.
Características de la configuración CC
Esta configuración proporciona ganancia de corriente pero no ganancia de voltaje.
En la configuración CC, la resistencia de entrada es alta y la resistencia de salida es baja.
La ganancia de voltaje proporcionada por este circuito es menor que 1.
La suma de la corriente del colector y la corriente base es igual a la corriente del emisor.
Las señales de entrada y salida están en fase.
Esta configuración funciona como una salida de amplificador no inversora.
Este circuito se utiliza principalmente para igualar impedancias. Eso significa, para impulsar una carga de baja impedancia desde una fuente de alta impedancia.