Polarización de transistores

El funcionamiento en estado estable de un transistor depende en gran medida de su corriente base, voltaje del colector y valores de corriente del colector y, por lo tanto, si el transistor va a funcionar correctamente como un amplificador lineal, debe estar polarizado correctamente alrededor de su punto de funcionamiento.

Establecer el punto de operación correcto requiere la selección de resistencias de polarización y resistencias de carga para proporcionar las condiciones adecuadas de corriente de entrada y voltaje de colector. El punto de polarización correcto para un transistor bipolar, ya sea NPN o PNP, generalmente se encuentra en algún lugar entre los dos extremos de operación con respecto a que esté “completamente ENCENDIDO” o “completamente APAGADO” a lo largo de su línea de carga de CC. Este punto de funcionamiento central se denomina «Punto de funcionamiento en reposo», o punto Q para abreviar.

Cuando un transistor bipolar está polarizado de modo que el punto Q está cerca de la mitad de su rango operativo, es decir, aproximadamente a la mitad entre el corte y la saturación, se dice que está funcionando como un amplificador de clase A. Este modo de funcionamiento permite que el voltaje de salida aumente y disminuya alrededor del punto Q del amplificador sin distorsión a medida que la señal de entrada oscila en un ciclo completo. En otras palabras, la salida está disponible para los 360o completos del ciclo de entrada.

Entonces, ¿cómo establecemos esta polarización de punto Q de un transistor? – La polarización correcta del transistor se logra mediante un proceso conocido comúnmente como Base Bias.

Pero antes de comenzar a ver las posibles diferentes disposiciones de polarización de transistores, recordemos primero un circuito de transistor único básico junto con sus voltajes y corrientes, como se muestra a la izquierda.

La función del “nivel de polarización de CC” es configurar correctamente el punto Q de los transistores configurando su corriente de colector ( IC ) a un valor de estado constante y estable sin ninguna señal de entrada externa aplicada a la base de los transistores.

Este punto de funcionamiento de CC o de estado estacionario se establece mediante los valores de la tensión de alimentación CC (de los circuitos Vcc ) y el valor de las resistencias de polarización conectadas al terminal base de los transistores.

Dado que las corrientes de polarización de la base de los transistores son corrientes de CC de estado estable, el uso apropiado de condensadores de acoplamiento y de derivación ayudará a bloquear cualquier corriente de polarización de otra etapa del transistor que afecte las condiciones de polarización de la siguiente. Las redes de polarización de base se pueden utilizar para configuraciones de transistor de base común (CB), colector común (CC) o emisor común (CE). En este sencillo tutorial de polarización de transistores, veremos las diferentes disposiciones de polarización disponibles para un amplificador emisor común.

Base de polarización de un amplificador de emisor común

Uno de los circuitos de polarización más utilizados para un circuito de transistor es con la polarización automática del circuito de polarización del emisor donde se utilizan una o más resistencias de polarización para configurar los valores iniciales de CC para las tres corrientes de transistor , ( IB ), ( IC ) y ( IE ).

Las dos formas más comunes de polarización de transistores bipolares son: Beta Dependiente e Beta Independiente. Los voltajes de polarización del transistor dependen en gran medida del transistor beta, ( β ), por lo que la configuración de polarización para un transistor puede no ser necesariamente la misma para otro transistor, ya que sus valores beta pueden ser diferentes. La polarización del transistor se puede lograr mediante el uso de una sola resistencia de retroalimentación o mediante el uso de una red divisora ​​de voltaje simple para proporcionar el voltaje de polarización requerido.

Los siguientes son cinco ejemplos de configuraciones de polarización de base de transistores de una sola fuente ( Vcc ).

Polarización de base fija de un transistor

El circuito que se muestra se denomina «circuito de polarización de base fija», porque la corriente de base de los transistores, IB, permanece constante para valores dados de Vcc y, por lo tanto, el punto de operación de los transistores también debe permanecer fijo. Esta red de polarización de dos resistencias se utiliza para establecer la región operativa inicial del transistor utilizando una polarización de corriente fija.

Este tipo de disposición transistor de polarización es también de polarización dependiente beta como la condición de estado estacionario de operación es una función del valor de transistores beta β, por lo que el punto de polarización variará en un amplio intervalo para los transistores del mismo tipo como las características de la los transistores no serán exactamente iguales.

El diodo emisor del transistor está polarizado directamente mediante la aplicación de la tensión de polarización de base positiva requerida a través de la resistencia limitadora de corriente RB. Suponiendo un transistor bipolar estándar, la caída de voltaje del emisor base directo sería de 0,7 V. Entonces el valor de RB es simplemente: (VCC – VBE) / IB donde IB se define como IC/ β.

Con este tipo de disposición de polarización de una sola resistencia, los voltajes y corrientes de polarización no permanecen estables durante el funcionamiento del transistor y pueden variar enormemente. Además, la temperatura de funcionamiento del transistor puede afectar negativamente al punto de funcionamiento.

Polarización de retroalimentación del colector en un transistor auto polarizable

Esta configuración de retroalimentación del colector es  otro método de polarización dependiente de beta que requiere dos resistencias para proporcionar la polarización de CC necesaria para el transistor. La configuración de retroalimentación del colector a la base asegura que el transistor siempre esté polarizado en la región activa independientemente del valor de Beta (β). El voltaje de polarización de la base de CC se deriva del voltaje del colector VC, lo que proporciona una buena estabilidad.

En este circuito, la resistencia de polarización de la base, RB, está conectada al colector de transistores C, en lugar de al riel de voltaje de suministro, Vcc. Ahora, si la corriente del colector aumenta, el voltaje del colector cae, reduciendo la unidad base y, por lo tanto, reduciendo automáticamente la corriente del colector para mantener fijo el punto Q de los transistores. Por lo tanto este método de polarización de realimentación colector produce retroalimentación negativa alrededor del transistor ya que hay una retroalimentación directa del terminal de salida al terminal de entrada a través de la resistencia, RB.

Dado que el voltaje de polarización se deriva de la caída de tensión en la resistencia de carga, RL, si aumenta la corriente de carga no será una caída de tensión más grande a través de RL,y una tensión de colector reducida correspondiente, VC. Este efecto provocará una caída correspondiente en la corriente base, IB, que a su vez, devuelve IC a la normalidad.

La reacción opuesta también ocurrirá cuando se reduzca la corriente del colector de transistores. Entonces, este método de polarización se denomina autopolarización y la estabilidad de los transistores utilizando este tipo de red de polarización de retroalimentación es generalmente buena para la mayoría de los diseños de amplificadores.

Polarización del transistor de retroalimentación dual

Agregar una resistencia adicional a la red de polarización de la base de la configuración anterior mejora la estabilidad aún más con respecto a las variaciones en Beta, ( β ) al aumentar la corriente que fluye a través de las resistencias de polarización de la base.

La corriente que fluye a través de RB1 se fija generalmente en un valor igual a aproximadamente 10% de la corriente de colector, IC. Obviamente, también debe ser mayor que la corriente base requerida para el valor mínimo de Beta, β.

Una de las ventajas de este tipo de configuración de autopolarización es que las dos resistencias proporcionan polarización automática y Rƒ retroalimentación al mismo tiempo.

Polarización del transistor con retroalimentación del emisor

Este tipo de configuración de polarización del transistor, a menudo denominada polarización del emisor propio, utiliza la retroalimentación del emisor y del colector base para estabilizar aún más la corriente del colector. Esto se debe a que las resistencias RB1 y RE , así como la unión base-emisor del transistor, están todas efectivamente conectadas en serie con la tensión de alimentación, VCC.

La desventaja de esta configuración de retroalimentación del emisor es que reduce la ganancia de salida debido a la conexión de la resistencia base. El voltaje del colector determina la corriente que fluye a través de la resistencia de retroalimentación, RB1 produce lo que se llama «retroalimentación degenerativa».

La corriente que fluye desde el emisor, IE (que es una combinación de IC + IB) hace que aparezca una caída de voltaje a través de RE en tal dirección, que invierte la polarización de la unión base-emisor.

Entonces, si la corriente del emisor aumenta, debido a un aumento en la corriente del colector, la caída de voltaje I * RE también aumenta. Dado que la polaridad de este voltaje polariza la unión base-emisor, IB automáticamente disminuye. Por lo tanto, la corriente del emisor aumenta menos de lo que lo habría hecho si no hubiera habido una resistencia de autopolarización.

Generalmente, los valores de resistencia se establecen de manera que la caída de tensión en la resistencia del emisor RE es de aproximadamente 10% de VCC y la corriente que fluye a través de la resistencia RB1 es 10% de la corriente de colector IC.

Por lo tanto, este tipo de configuración de polarización de transistores funciona mejor con voltajes de suministro de energía relativamente bajos.

Polarización del transistor divisor de voltaje

Aquí, la configuración del transistor emisor común se polariza utilizando una red divisor de voltaje para aumentar la estabilidad. El nombre de esta configuración de polarización proviene del hecho de que las dos resistencias RB1 y RB2 forman una red divisora de voltaje o potencial a través del suministro con su unión de punto central conectada al terminal de la base de los transistores como se muestra:

Esta configuración de polarización del divisor de voltaje es el método de polarización de transistores más utilizado. El diodo emisor del transistor está polarizado hacia adelante por el valor de voltaje desarrollado a través de la resistencia RB2. Además, la polarización de la red del divisor de voltaje hace que el circuito del transistor sea independiente de los cambios en beta, ya que los voltajes de polarización establecidos en la base de los transistores, el emisor y los terminales del colector no dependen de los valores del circuito externo.

Para calcular el voltaje desarrollado a través de la resistencia RB2 y, por lo tanto, el voltaje aplicado al terminal base, simplemente usamos la fórmula del divisor de voltaje para resistencias en serie.

Generalmente, la caída de voltaje a través de la resistencia RB2 es mucho menor que la de la resistencia RB1. Claramente, el voltaje base de los transistores VB con respecto a tierra será igual al voltaje a través de RB2.

La cantidad de corriente de polarización que fluye a través de la resistencia RB2 generalmente se establece en 10 veces el valor de la corriente de base requerida IB para que sea lo suficientemente alta como para no tener ningún efecto en la corriente del divisor de voltaje o cambios en Beta.

El objetivo de la polarizacion de transistores es establecer un punto de funcionamiento inactivo conocido, o punto Q, para que el transistor bipolar funcione de manera eficiente y produzca una señal de salida sin distorsiones. La polarización de CC correcta del transistor también establece su región operativa de CA inicial con circuitos de polarización prácticos que utilizan una red de polarización de dos o cuatro resistencias.

En los circuitos de transistores bipolares, el punto Q está representado por ( VCE, IC ) para los transistores NPN o ( VEC, IC ) para los transistores PNP. La estabilidad de la red de polarización de la base y, por lo tanto, el punto Q se evalúa generalmente considerando la corriente del colector como una función tanto de Beta (β) como de la temperatura.

Aquí hemos visto brevemente cinco configuraciones diferentes para “polarizar un transistor” usando redes resistivas. Pero también podemos polarizar un transistor usando diodos de silicio, diodos Zener o redes activas, todos conectados al terminal base de transistores. También podríamos polarizar correctamente el transistor de una fuente de alimentación de doble voltaje si así lo deseamos.