Curva de entrada

Características de funcionamiento de los transistores. Curvas i-v

Los Transistores Bipolares de Unión (BJT) tienen 2 características de comportamiento, o de funcionamiento: 

- Las características de entrada o de transferencia y 

- Las características de salida. 

Estas son relaciones entre determinadas corrientes y voltajes (características i-v) y se pueden representar gráficamente mediante las curvas de entrada o de salida del dispositivo.

Estas características se suelen dar en la configuración en Emisor Común, en la que el transistor se coloca de tal forma que su Emisor es el terminal común entre la entrada (terminal de la Base) y la salida (terminal del Colector).

Características de entrada

Las características de entrada, o de transferencia, de un determinado transistor vienen dadas por la relación entre la Corriente de Colector (iC) y el Voltaje Base-Emisor (vBE), para un valor de Voltaje Colector-Emisor (VCE) determinado.

Esta relación iC - vBE  está definida por la ecuación de los diodos de Shockley:

En donde Is es la Corriente Inversa de Saturación. 

Ésta es la corriente que surge en la unión de la Base (cristal P) y el Emisor (cristal N) del transistor, en este caso de tipo NPN, cuando es polarizada de forma inversa; esto es, cuando el polo negativo de la batería (-) se conecta al cristal P de la Base y el polo positivo (+) de la batería al cristal N del Emisor. En esta situación, el "diodo" Base - Emisor no debería dejar conducir la corriente; sin embargo, debido a la temperatura se producirá una pequeña corriente llamada Corriente Inversa de Saturación (Is), que puede tomar un valor entre los 10⁻¹⁸ y los 10⁻⁹ Amperios, dependiendo del dispositivo y de su encapsulado.

En nuestro caso vamos a utilizar el BC337 con un encapsulado plástico tipo TO-92:

BC 337 con encapsulado plástico de tipo TO-92

Vamos a montar el siguiente circuito con componentes reales:

cuyo esquema en el simulador sería el siguiente:

En él vamos a polarizar de forma inversa el Colector del transistor mediante una pila VCC, cuyo polo positivo conectamos al cristal Negativo del transistor, el Colector.

Igualmente, polarizamos de forma directa la Base del transistor mediante otra pila VBB, cuyo polo positivo conectamos al cristal Positivo del transistor, la Base.

A continuación medimos en el circuito con componentes reales en funcionamiento valores de voltajes y corrientes con multímetro y obtenemos los siguientes valores:

VBB = 3,76 v

IB = 37 𝛍A

V de RB = 3,14 v

VBE = 684 mv

VCC = 8,48 v

IC = 9 mA

V de RC = 7,27 v

VCE = 1,17 v

Por otro lado, VT es el Voltaje Térmico.

Efectivamente, el término VT de la ecuación es el Voltaje Térmico, que a temperatura ambiente es de 0,025 v.

Con todo ello, podemos calcular Is si sustituimos valores en la ecuación, dándonos un valor de 1,18 x 10⁻¹⁴ Amperios. 

Ahora ya podemos representar gráficamente la ecuación de Shockley, que se corresponde con una curva exponencial:

Gráfica obtenida en Geogebra

Esta relación entre la Corriente de Colector (iC) y el Voltaje en la unión Base-Emisor (vBE) es similar a la relación Corriente / Voltaje de los diodos.

En la gráfica se puede observar que hasta los 0,5 ó 0,6 v de vBE, iC es prácticamente = 0. Con valores mayores obtenemos un aumento exponencial de iC, de tal manera que los valores de iC con los que normalmente se trabaja, van a estar comprendidos entre los 0,6 v y los 0,8 v de vBE. Así que para realizar cálculos, se suele tomar como constante el valor de VBE = 0,7 v. 

Podemos consultar las hojas de características técnicas del BC337 con encapsulado plástico tipo TO-92.

En ellas se puede encontrar las siguientes gráficas que relacionan la Corriente de Colector (iC) con el Voltaje Base-Emisor (vBE) para un Voltaje Colector-Emisor (VCE) de 1 v:

Relación IC - VBE del BC 337

Fijarse en que dependiendo de la temperatura, se obtienen diferentes curvas iC-vBE. A temperatura ambiente de 25ºC, una IC de unos 10 mA se corresponde con una VBE de unos 0,635 v.

Aunque para estas condiciones de temperatura (25ºC), de IC (10 mA) y de VCE (1 v), el valor de VBE puede estar comprendido en un rango de valores, que puede variar desde los 0,510 v a los 0.800 v, como indican estos otros fabricantes en sus hojas de características técnicas:

Rango de valores en la relación IC - VBE del BC 337 a 25º

Podemos comprobar cómo nuestro valor de VBE (684 mv) obtenido con el multímetro está dentro de los valores límites de la gráfica.

Relación iB - vBE

Pero en esta publicación vamos a tomar las características de entrada del transistor como la relación entre la Corriente de Base (iB) y el Voltaje en la unión Base-Emisor (vBE), en vez de la relación entre la Corriente de Colector (iC) y el Voltaje en la unión Base-Emisor (vBE) como hemos realizado hasta ahora.

Para determinarlas nos vamos a servir del simulador.

Diseñemos el siguiente circuito:

En la malla de la Base vamos a insertar una batería que coincida con los 684 mv de VBE obtenidos con el polímetro en el circuito de componentes reales y lo mismo haremos en la malla de Colector; insertaremos una batería de 1,17 v de VCE obtenidos en el circuito real.

Si medimos la corriente de Base (IB), tenemos un valor casi el doble del obtenido en el circuito real (69,8 𝛍A).

Deberemos modificar los parámetros del transistor BC 337 del circuito simulado para que su funcionamiento se asemeje lo máximo posible al del circuito real. 

Si hacemos doble "click" sobre el transistor BC 337 en el circuito del simulador, se nos abre la siguiente ventana:

Si seleccionamos el botón "Edit model", accederemos a los valores de los diferentes parámetros de diseño del transistor:

 

Para que el BC 337 funcione lo más parecido posible al transistor que hemos utilizado en el circuito de componentes reales, deberemos cambiar el valor de la Ganancia que nos viene por defecto. Para ello seleccionaremos la casilla BF (Ideal maximum forward beta) y en vez de 175,  elegiremos la opción "Use default", quedándose en un valor de 100.

Además cambiaremos también el valor de la Corriente Inversa de Saturación (IS). Y en vez del valor que nos marca, introduciremos el valor obtenido al inicio de esta publicación (1,18 x 10⁻¹⁴ Amperios).

Una vez modificados estos valores, daremos "click" al botón "Change component" para que se nos guarden los nuevos valores.

Cuando aceptamos volvemos al circuito diseñado, pero el transistor se nos aparece marcado con un asterisco:

Si ahora le damos a funcionar al circuito en el simulador, obtendremos una IB más parecida a la de nuestro circuito de componentes reales (40,301 𝛍A).

A continuación ya podemos determinar las curvas iB - vBE en el simulador.

Sobre este circuito con el transistor modificado, realizaremos un análisis de barrido ("DC sweep") incluyendo ambas fuentes de corriente continua. Para ello, en "Simulate" elegimos "Analyses" y "DC sweep". En "Source 1" seleccionamos la fuente "VBE" y le damos los valores de 0 a 3 v tomados en incrementos de 0,01 v. Tras habilitar el uso de una segunda fuente, elegimos "VCE", dándole sólo 3 valores: 5, 10 y 15 v.

En "Output" seleccionamos la variable "ib" y le damos a simular.

Obtenemos 3 curvas, una por cada "VCE", con valores muy altos de Corriente de Base (iB). Del orden de cientos de mA:

Curvas de entrada del BC 337 obtenidas en el simulador

Observar cómo para valores mayores de VCE la curva se desplaza hacia la derecha. Pero este efecto sólo es visible en valores muy altos de iB (del orden de miliamperios).

Para valores más normales y mucho menores de iB, del orden de unas decenas de 𝛍A, se puede considerar una sola curva, en la que otra vez podemos observar que los valores de iB, con los que normalmente se trabaja, van a estar comprendidos entre los 0,6 v y los 0,8 v de vBE

Para terminar, podemos trasladar los valores de VBE y de IB de los circuitos a la curva de entrada del transistor:

Resumiendo. 

En esta publicación se han introducido las características de entrada de los transistores bipolares, del BC 337 en concreto; que vienen dadas por la ecuación de Shockley, cuya representación gráfica es una curva exponencial que relaciona la Corriente de Colector (iC) con el Voltaje entre la Base y el Emisor (vBE). Hemos visto que en dicha curva el valor de VBE se acerca a los 0.7 v. Se ha construido un circuito con componentes reales y se han medido valores de voltajes e intensidades con el multímetro para poder determinar el valor de la Corriente Inversa de Saturación (Is) y de este modo poder representar dicha curva de entrada.

Después hemos analizado esta curva en las hojas de características técnicas suministradas por diferentes fabricantes para el transistor BC 337 con encapsulado plástico de tipo TO-92.

Posteriormente se ha definido como característica de entrada de los transistores bipolares la relación entre la Corriente de Base (iB) y el Voltaje entre la Base y el Emisor (vBE). Dicha característica viene dada por otra curva exponencial que es la que se suele utilizar en los libros de texto y publicaciones que abordan el estudio de los transistores bipolares.

Para ello se ha diseñado un circuito en el simulador en el que se ha insertado un dispositivo BC 337 modificado en su Ganancia de Corriente para continua y en su Corriente de Saturación Inversa, con la intención de hacer que su funcionamiento se asemeje lo más posible al del dispositivo del circuito diseñado con componentes reales.

Se ha llevado a cabo un análisis en "barrido" en el simulador y se ha obtenido la curva de entrada que relaciona iB con vBE, indicando efectivamente, un funcionamiento del transistor del circuito del simulador muy similar al del dispositivo del circuito con componentes reales.

Por último se ha indicado el punto de funcionamiento de ambos transistores (virtual y real) en dicha curva.

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