El primer transistor de unión bipolar se inventó en los Laboratorios Bell en 1947. «Bipolar» se refiere a bipolar, de ahí el nombre de transistor de unión bipolar (BJT). Un BJT es un dispositivo de tres terminales con un colector (C), una base (B) y un emisor (E).
Actualmente existen dos tipos de cristales de unión bipolar, a saber, los transistores NPN y PNP. En este artículo, presentaremos la estructura, el principio de funcionamiento y la aplicación del transistor PNP.
¿Qué es un transistor PNP?
El transistor PNP es un tipo de transistor bipolar de unión (BJT) que consta de tres capas de semiconductores dopados. En un transistor PNP, los portadores de carga mayoritarios son huecos, que fluyen desde el emisor a la base y luego al colector. El transistor PNP se utiliza ampliamente en circuitos electrónicos como interruptor o amplificador.
Estructura del transistor PNP
Para ilustrar la estructura de un transistor PNP, considere el siguiente diagrama:
Un transistor PNP consta de tres capas de materiales semiconductores de tipo P y tipo N alternados. Las tres capas se denominan emisor (E), base (B) y colector (C). Las capas están dispuestas en una estructura tipo sándwich con dos capas de tipo p que rodean una capa de tipo n, de ahí el nombre PNP.
En este diagrama, el emisor está a la izquierda, el colector a la derecha y la base en el centro. La base es muy delgada y está ligeramente dopada, mientras que el emisor y el colector están muy dopados. El dopaje de las capas crea uniones entre ellas, que son las responsables del funcionamiento del transistor.
Cuando se aplica un voltaje a la base del transistor PNP, fluye una pequeña corriente desde el emisor hacia la base. Esta corriente provoca que fluya una corriente mucho mayor desde el colector hacia el emisor, que puede utilizarse para controlar un circuito externo.
¿Cómo funciona el transistor PNP?
Como se ha mencionado anteriormente, un transistor es un dispositivo de control de corriente que tiene dos capas de agotamiento con un potencial de barrera específico necesario para difundir las capas de agotamiento. El potencial de barrera de un transistor de silicio es de 0,7 V a 25 °C, mientras que el de un transistor de germanio es de 0,3 V a 25 °C. El tipo de transistor más utilizado es el de silicio, ya que es el elemento más abundante en la Tierra después del oxígeno.
Funcionamiento interno:
La estructura de un transistor PNP consiste en que las regiones del colector y del emisor están dopadas con material de tipo p, y la región de la base está dopada con una pequeña capa de material de tipo n. La región del emisor está muy dopada en comparación con la región del colector. Estas tres regiones forman dos uniones, que son la unión colector-base (CB) y la unión base-emisor.
Cuando se aplica un potencial negativo VBE que cae desde 0 V a través de la unión base-emisor, los electrones y los huecos comienzan a acumularse en la región de agotamiento. Cuando el potencial se reduce aún más por debajo de 0,7 V, se alcanza el voltaje de barrera y se produce la difusión. Por lo tanto, los electrones fluyen hacia el polo positivo y la corriente de base (IB) es opuesta al flujo de electrones. Además, si se aplica un voltaje VCE en el terminal del colector, comienza a fluir una corriente desde el emisor hacia el colector. Por lo tanto, los transistores PNP pueden actuar tanto como interruptores como amplificadores.
Área de funcionamiento y modo de funcionamiento:
- Área activa: IC = βxIB – funcionamiento del amplificador
- Región de saturación: IC = corriente de saturación – funcionamiento de conmutación (totalmente encendido)
- Área de corte: IC=0—funcionamiento de conmutación (completamente cerrado)
Ejemplos de aplicación de transistores PNP
1. Transistor PNP como interruptor
Los transistores PNP se utilizan a menudo como interruptores en circuitos. En este ejemplo utilizamos el modelo PSPICE y el transistor PN2907A. En primer lugar, recuerde utilizar una resistencia limitadora de corriente en la base. Una corriente de base más alta puede dañar el BJT. Según la hoja de datos que se muestra a continuación, la corriente continua máxima del colector es de 600 mA y la ganancia correspondiente (hFE o β) se indica en la hoja de datos como condición de prueba. También se indican el voltaje de saturación y la corriente de base correspondientes.
Pasos para seleccionar los componentes:
1. Calcule la corriente del colector, que es la corriente consumida por la carga. En este caso sería 200 mA (en paralelo con el LED o la carga) y la resistencia = 60 ohmios.
2. Para llevar el transistor a un estado saturado, se debe consumir suficiente corriente base para que el transistor se active por completo. Calcule la corriente base y la resistencia correspondiente que se debe utilizar. La siguiente es la fórmula de cálculo de la corriente base y la resistencia base en un transistor PNP:
IB=IC/β=-200 mA / 90=-2,2 mA≈-2,5 mA
RB=VBE/IB=-5/-2,5 mA=2000 ohmios≈2,2 k ohmios
Para una saturación completa, la corriente de base es de aproximadamente 2,5 mA (ni demasiado alta ni demasiado baja). A continuación se muestra el circuito para 12 V a la base, igual que para el emisor a tierra, durante el cual el interruptor está apagado.
En teoría, el interruptor está completamente abierto, pero en la práctica se puede observar una corriente de fuga. Esta corriente es insignificante, ya que sus unidades son pA o nA. Para comprender mejor el control de la corriente, se puede considerar un transistor como una resistencia variable entre el colector (C) y el emisor (E), cuya resistencia cambia según la corriente que pasa por la base (B).
Inicialmente, cuando no fluye corriente a través de la base, la resistencia entre CE es tan alta que no fluye corriente a través de ella. Cuando aparece una diferencia de potencial de 0,7 V o más en el terminal de la base, la unión BE se difunde y provoca la difusión de la unión CB. Ahora, la corriente que fluye del emisor al colector es proporcional a la corriente que fluye del emisor a la base, que es la ganancia.
Ahora veamos cómo controlar la corriente de salida controlando la corriente de base. IC fijo = 100 mA, aunque la carga es de 200 mA, la ganancia correspondiente en la hoja de datos está entre 100 y 300, y siguiendo la misma fórmula anterior, obtenemos:
IB=IC/β=-100 mA/250=-0,4 mA
RB=VBE/IB=-5/-0,4 mA=12500 ohmios≈13k ohmios
La diferencia entre los valores reales y los calculados se debe a la caída de tensión a través del transistor y la carga resistiva utilizada. Además, se utilizó el valor de resistencia estándar de 13 kΩ en la base en lugar de 12,5 kΩ.
2. Transistor PNP como amplificador
La amplificación es la conversión de una señal débil en una forma utilizable. El proceso de amplificación es un paso importante en muchas aplicaciones, como la transmisión inalámbrica de señales, la recepción inalámbrica de señales, los reproductores MP3, los teléfonos móviles, etc. Los transistores pueden amplificar la potencia, el voltaje y la corriente en diferentes configuraciones.
Algunas configuraciones utilizadas en los circuitos amplificadores de transistores son:
- amplificador de emisor común
- amplificador de colector común
- amplificador de base común
De entre los tipos anteriores, el tipo de emisor común es la configuración más utilizada. Esta operación se produce en la región activa, siendo un ejemplo un circuito amplificador de emisor común de una sola etapa. Un punto de polarización de CC estable y una ganancia de CA estable son importantes para el diseño del amplificador. Se denomina amplificador de una sola etapa cuando solo se utiliza un transistor.
Arriba hay un amplificador de una sola etapa, donde una señal débil aplicada en el terminal base se convierte en beta multiplicado por la señal real en el terminal colector.
Configuraciones de circuitos amplificadores de transistores PNP
Los circuitos amplificadores se presentan en tres configuraciones: emisor común (CE), base común (CB) y colector común (CC). Estas configuraciones utilizan diferentes elementos capacitivos y resistivos para la amplificación y estabilización de la señal.
Emisor común (CE)
La configuración CE (emisor común) incluye un condensador de acoplamiento (CIN) y un condensador de acoplamiento de salida (COUT). El CIN acopla la señal de entrada a la base del transistor, permitiendo el paso de las señales de CA y aislando las señales de CC. El COUT acopla la señal de salida del transistor al circuito de carga y solo permite el paso de la señal de CA. La configuración CE también utiliza un condensador de derivación como ruta de baja resistencia para la señal amplificada.
En la configuración CE, R2 y RE se utilizan para proporcionar estabilidad al amplificador, mientras que R1 y R2 actúan conjuntamente como divisores de tensión para garantizar la estabilidad en el punto de polarización de CC.
Base común (CB)
En un amplificador CB, la entrada se aplica al terminal emisor y la salida se toma del terminal colector. El terminal emisor tiene polarización directa, mientras que el terminal colector tiene polarización inversa. Las condiciones de polarización de un amplificador CB proporcionan una baja impedancia de entrada y una alta impedancia de salida.
El circuito amplificador de base común se puede representar mediante la siguiente ecuación: Av = -gmRc, donde Av es la ganancia de voltaje, gm es el parámetro de transconductancia y Rc es la resistencia de carga. La ganancia de voltaje de un amplificador de base común es inferior a uno, pero tiene una alta ganancia de corriente y un amplio ancho de banda.
Colector común (CC)
El amplificador CC también se conoce como seguidor del emisor porque el voltaje de salida sigue de cerca al voltaje de entrada. En un circuito amplificador CC, el terminal del emisor siempre está polarizado a un voltaje ligeramente inferior al voltaje de la base, normalmente alrededor de 0,6 V para un transistor de silicio. Esto garantiza que el transistor se encuentre en la región activa y pueda amplificar la señal de entrada.
El amplificador CC tiene una alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida, lo que lo hace adecuado para aplicaciones de adaptación de impedancia y amplificación de voltaje. También ofrece una alta ganancia de corriente y un alto ancho de banda de ganancia unitaria, lo que lo hace ideal para almacenar señales entre etapas de un amplificador.
