Recta de carga de un transistor, punto «Q»

Hola de nuevo. En este artículo vamos a ver como se puede polarizar un transistor, que típicamente se puede clasificar en dos tipos: En conmutación (polarización de base) o como amplificador (polarización de emisor).

La beta (hFE) de un transistor, o también denominada ganancia de corriente continua; depende del transistor, de la corriente de colector y de la temperatura.

Un modelo de transistor en concreto, tendrá una beta típica, que variará según cada uno de ellos en particular y además si variamos la temperatura o la corriente de colector, esta beta (ß) también lo hará.

Vemos pues, que si nuestro diseño depende de un valor en concreto de beta, es muy posible que si se fabrica a gran escala, falle mas de uno.

La recta de carga y el punto Q

Vamos a ver dos conceptos que nos permitirán polarizar correctamente al transistor, bien trabaje en conmutación o como amplificador.

El circuito mostrado en la figura 1 se define como de polarización de base, ya que la corriente de base es constante, independientemente de si hay cambios de beta o de temperatura.

Supongamos que Rb es de un valor de 1Mega. Nos queda pues que:

$Ib = \frac{20 - 0.7}{1e6} = 19.3 \, \, micro-amperios$

Si la beta es de por ejemplo 100, la corriente de colector será de 1.93 mili-amperios, mientras que la tensión VCE será de:

$VCE = 20 - (1k \times{} 1.93 \, mA) = 18.07 \, voltios$

Deducimos de este resultado que el punto Q (también llamado de operación) de este circuito estará fijado en Ic = 1.93 mA y VCE = 18.07 V

Se puede hallar el punto Q también haciendo uso de un método gráfico. Este método utiliza lo que llamaremos recta de carga del transistor. Fijémonos de nuevo en la figura 1.

Del esquema representado en la figura 1, podemos deducir lo siguiente:

$VCE = Vcc - Ic \times{} Rc$

Despejando Ic tenemos:

$Ic = \frac{Vcc - VCE}{Rc}$

Si dibujásemos esta ecuación en un papel, obtendríamos una recta, la llamada recta de carga. La buena noticia de esto, es que nos bastan solo dos puntos para obtener dicha recta.

Antes de ver dicha recta, veamos antes lo que son las curvas de colector-emisor. Ya que en este blog se toca mucho el tema de la simulación electrónica, las vamos a generar mediante LTspice, en lugar de dibujarlas a mano. Veamos el siguiente esquema:

Figura 2. Esquema de LTspice para generar las curvas de Colector.

En este circuito hacemos un barrido de corrientes de base, de 0 a 50 micro-amperios (en saltos de 10) y de tensiones de VCE, de 0 a 5 voltios (en saltos de 5).

Para ver la gráfica, añadimos la corriente que pasa por Q1 (Ic(Q1)).

Si lo simulamos, y añadimos la traza anteriormente comentada, obtendremos lo siguiente:

Figura 3. Haz click para ampliar. Curvas de colector de la simulación.

Vemos pues que al aumentar la tensión VCE, la corriente de colector se mantiene prácticamente constante y que es diferente para cada valor de la corriente de base Ib.

Como dije anteriormente, para obtener la recta de carga solo necesitamos dos puntos. Estos puntos se calculan de la siguiente forma: Lo primero es suponer que VCE = 0 y Ic = 0

Lo segundo, sustituirlos en la ecuación de Ic obtenida anteriormente:

$Ic = \frac{Vcc-Vce}{Rc} \rightarrow Ic = \frac{20-Vce}{1k}$

Si VCE = 0, entonces Ic = 20 mA

Si Ic = 0, entonces VCE = 20 V

Una vez tenemos los puntos necesarios para dibujar la recta de carga, procedemos a dibujarla sobre las curvas de colector-emisor del transistor en cuestión:

La recta de carga es la linea que une los puntos Ic = 20 mA y VCE = 20 voltios.

En cada intersección de las gráficas de cada corriente de base con la recta de carga, sería un posible punto Q del circuito. Resumiendo: La recta de carga contiene todos los puntos posibles de trabajo de circuito (puntos Q).

El punto de saturación es el punto mas alto de corriente del transistor, mientras que el punto de corte es cuando no circula corriente alguna (VCE = 0).

El inconveniente de este circuito es que la ganancia depende de la beta, es decir, que según el transistor que montemos (aún siendo el mismo) el punto Q será diferente. Recordemos que la corriente de colector es beta veces la de base.

Para terminar, comentar que si se pretende usar un transistor en conmutación, es buena norma de diseño considerar una beta de 10, así siempre cuando tenga que entrar en saturación el transistor no tendremos ningún problema.

Si lo que necesitamos es amplificar y que no nos afecte la beta, es necesario usar retroalimentación de emisor, tal como muestra el siguiente circuito: