4.4: Operación en modo activo (BJT)

Sin embargo, los transistores bipolares no tienen que restringirse a estos dos modos extremos de operación. Como aprendimos en la sección anterior, la corriente base “abre una puerta” para una cantidad limitada de corriente a través del colector. Si este límite para la corriente controlada es mayor que cero pero menor que el máximo permitido por la fuente de alimentación y el circuito de carga, el transistor “acelerará” la corriente del colector en un modo en algún lugar entre el corte y la saturación. Este modo de operación se llama el modo activo.

Una analogía automotriz para el funcionamiento del transistor es la siguiente: el corte es la condición de que no haya fuerza motriz generada por las partes mecánicas del automóvil para que se mueva. En el modo de corte, el freno está activado (corriente base cero), evitando el movimiento (corriente del colector). El modo activo es el automóvil que navega a una velocidad constante y controlada (corriente de colector constante y controlada) según lo dicte el conductor. Saturación el automóvil subiendo una colina empinada que le impide ir tan rápido como el conductor desee. En otras palabras, un automóvil “saturado” es uno con el pedal del acelerador empujado completamente hacia abajo (corriente base que requiere más corriente de colector de la que puede ser proporcionada por el circuito de alimentación/carga).

Vamos a configurar un circuito para la simulación SPICE para demostrar lo que sucede cuando un transistor está en su modo de funcionamiento activo. (Figura abajo)

“Q” es la designación de letra estándar para un transistor en un diagrama esquemático, así como “R” es para resistencia y “C” es para condensador. En este circuito, tenemos un transistor NPN alimentado por una batería (V ₁) y controlado por corriente a través de una fuente de corriente (I ₁). Una fuente de corriente es un dispositivo que emite una cantidad específica de corriente, generando tanto o tan poco voltaje a través de sus terminales para asegurar esa cantidad exacta de corriente a través de ella. Las fuentes de corriente son notoriamente difíciles de encontrar en la naturaleza (a diferencia de las fuentes de voltaje, que por el contrario intentan mantener una tensión constante, emitiendo tanta o tan poca corriente en el cumplimiento de esa tarea), pero pueden simularse con una pequeña colección de componentes electrónicos. Como estamos a punto de ver, los propios transistores tienden a imitar el comportamiento de corriente constante de una fuente de corriente en su capacidad para regular la corriente a un valor fijo.

En la simulación SPICE, estableceremos la fuente de corriente a un valor constante de 20 µA, luego variaremos la fuente de voltaje (V ₁) en un rango de 0 a 2 voltios y monitorearemos cuánta corriente pasa por ella. La batería “ficticia” (_amperímetro V) en la Figura anterior con su salida de 0 voltios sirve simplemente para proporcionar SPICE un elemento de circuito para la medición de corriente.

Un voltaje de colector de barrido de 0 a 2 V con corriente de base constante a 20 µA produce una corriente de colector constante de 2 mA en la región de saturación.

La corriente base constante de 20 µA establece un límite de corriente de colector de 2 mA, exactamente 100 veces más. Observe lo plana que es la curva en (Figura anterior) para la corriente del colector en el rango de voltaje de la batería de 0 a 2 voltios. La única excepción a esta trama sin rasgos es al principio, donde la batería aumenta de 0 voltios a 0.25 voltios. Allí, la corriente del colector aumenta rápidamente de 0 amperios a su límite de 2 mA.

Veamos qué pasa si variamos el voltaje de la batería en un rango más amplio, esta vez de 0 a 50 voltios. Mantendremos la corriente base estable a 20 µA. (Figura abajo)

El voltaje de barrido del colector de 0 a 50 V con corriente de base constante a 20 µA produce una corriente de colector constante de 2 mA.

¡El mismo resultado! La corriente del colector en la Figura anterior se mantiene absolutamente estable a 2 mA, aunque el voltaje de la batería (v1) varía desde 0 hasta 50 voltios. De nuestra simulación parecería que el voltaje colector a emisor tiene poco efecto sobre la corriente del colector, excepto en niveles muy bajos (justo por encima de 0 voltios). El transistor está actuando como regulador de corriente, permitiendo exactamente 2 mA a través del colector y no más.

Ahora veamos qué pasa si aumentamos la corriente controladora (I ₁) de 20 µA a 75 µA, una vez más barriendo el voltaje de la batería (V ₁) de 0 a 50 voltios y graficando la corriente del colector en la Figura siguiente

voltaje colector de drenaje 0 a 50 V (.dc v1 0 50 2) con corriente base constante a 75 µA produce una corriente de colector constante de 7.5 mA. Otras curvas son generadas por barrido de corriente (i1 15u 75u 15u) en la declaración de análisis DC (.dc v1 0 50 2 i1 15u 75u 15u).

No es sorprendente que SPICE nos dé una gráfica similar: una línea plana, que se mantiene estable esta vez a 7.5 mA, exactamente 100 veces la corriente base, en el rango de voltajes de la batería desde justo por encima de 0 voltios a 50 voltios. Parece que la corriente base es el factor decisivo para la corriente de colector, siendo irrelevante el voltaje de la batería V ₁ siempre y cuando esté por encima de cierto nivel mínimo.

Esta relación voltaje/corriente es completamente diferente de lo que estamos acostumbrados a ver a través de una resistencia. Con una resistencia, la corriente aumenta linealmente a medida que aumenta el voltaje a través de ella. Aquí, con un transistor, la corriente del emisor al colector permanece limitada en un valor fijo y máximo sin importar cuán alto aumente el voltaje a través del emisor y el colector.

A menudo es útil superponer varios gráficos de corriente/voltaje de colector para diferentes corrientes base en la misma gráfica que en la Figura siguiente. Una colección de curvas como esta, una curva trazada para cada nivel distinto de corriente base, para un transistor en particular se llama curvas características del transistor:

Colector de voltaje a emisor vs colector de corriente para diversas corrientes base.

Cada curva en el gráfico refleja la corriente de colector del transistor, trazada en un rango de voltajes de colector a emisor, para una cantidad dada de corriente base. Dado que un transistor tiende a actuar como regulador de corriente, limitando la corriente del colector a una proporción establecida por la corriente base, es útil expresar esta proporción como una medida estándar del rendimiento del transistor. Específicamente, la relación entre la corriente de colector y la corriente base se conoce como la relación Beta (simbolizada por la letra griega β):

A veces, la relación β se designa como “h _fe”, una etiqueta utilizada en una rama del análisis matemático de semiconductores conocida como “parámetros híbridos” que se esfuerza por lograr predicciones precisas del rendimiento del transistor con ecuaciones detalladas. Las variables de parámetros híbridos son muchas, pero cada una está etiquetada con la letra general “h” y un subíndice específico. La variable “h _fe” es solo otra forma (estandarizada) de expresar la relación entre la corriente de colector y la corriente base, y es intercambiable con “β”. La relación β es sin unidades.

β para cualquier transistor está determinado por su diseño: no puede ser alterado después de la fabricación. Es raro que dos transistores del mismo diseño coincidan exactamente debido a las variables físicas que afectan β. Si un diseño de circuito se basa en relaciones β iguales entre múltiples transistores, se pueden comprar “conjuntos coincidentes” de transistores a un costo adicional. Sin embargo, generalmente se considera una mala práctica de diseño diseñar circuitos con tales dependencias.

El β de un transistor no permanece estable para todas las condiciones de funcionamiento. Para un transistor real, la relación β puede variar por un factor de más de 3 dentro de sus límites de corriente de funcionamiento. Por ejemplo, un transistor con β anunciado de 50 en realidad puede probar con relaciones I _{c/I b} tan bajas como 30 y tan altas como 100, dependiendo de la cantidad de corriente del colector, la temperatura del transistor y la frecuencia de la señal amplificada, entre otros factores. Para propósitos tutoriales es adecuado asumir una constante β para cualquier transistor dado; ¡date cuenta de que la vida real no es tan simple!

A veces es útil para la comprensión “modelar” componentes electrónicos complejos con una colección de componentes más simples y mejor entendidos. El modelo de la figura a continuación se utiliza en muchos textos introductorios de electrónica.

Modelo de transistor de resistor de diodo elemental.

Este modelo proyecta el transistor como una combinación de diodo y reóstato (resistencia variable). La corriente a través del diodo base-emisor controla la resistencia del reóstato colector-emisor (como lo implica la línea discontinua que conecta los dos componentes), controlando así la corriente del colector. Un transistor NPN se modela en la figura mostrada, pero un transistor PNP solo sería ligeramente diferente (solo se invertiría el diodo base-emisor). Este modelo logra ilustrar el concepto básico de amplificación de transistores: cómo la señal de corriente base puede ejercer control sobre la corriente del colector. Sin embargo, no me gusta este modelo porque comunica mal la noción de una cantidad establecida de resistencia colector-emisor para una cantidad dada de corriente base. Si esto fuera cierto, el transistor no regularía en absoluto la corriente del colector como muestran las curvas características. En lugar de que las curvas de corriente del colector se aplanen después de su breve aumento a medida que aumenta el voltaje colector-emisor, la corriente del colector sería directamente proporcional al voltaje colector-emisor, aumentando constantemente en línea recta en el gráfico.

Un mejor modelo de transistores, a menudo visto en libros de texto más avanzados, se muestra en la Figura a continuación.

Modelo de fuente de corriente del transistor.

Se funde el transistor como una combinación de diodo y fuente de corriente, la salida de la fuente de corriente se establece en un múltiplo (relación β) de la corriente base. Este modelo es mucho más preciso al representar las verdaderas características de entrada/salida de un transistor: la corriente base establece una cierta cantidad de corriente de colector, en lugar de una cierta cantidad de resistencia colector-emisor como implica el primer modelo. Además, este modelo se ve favorecido cuando se realizan análisis de red en circuitos de transistores, siendo la fuente de corriente un componente teórico bien entendido. Desafortunadamente, usar una fuente de corriente para modelar el comportamiento de control de corriente del transistor puede ser engañoso: de ninguna manera el transistor actuará nunca como fuente de energía eléctrica. La fuente de corriente no modela el hecho de que su fuente de energía sea una fuente de alimentación externa, similar a un amplificador.

Revisar

• Se dice que un transistor está en su modo activo si está operando en algún lugar entre completamente encendido (saturado) y completamente apagado (corte).
• La corriente base regula la corriente del colector. Por regular, queremos decir que no puede existir más corriente colectora que la permitida por la corriente base.
• La relación entre la corriente de colector y la corriente base se denomina “Beta” (β) o “h _fe”.
• las relaciones β son diferentes para cada transistor, y
• β cambios para diferentes condiciones de operación.