temperatura, la frecuencia, el voltaje y la corriente. Lo más interesante y útil en esta etapa del desa- rrollo incluye las variaciones con la temperatura de unión y el voltaje y la corriente del colector.
El efecto de la corriente de colector en el modelo rey en el modelo híbrido equivalente se muestra en la figura 5.124. Observe con cuidado la escala logarítmica sobre los ejes vertical y horizontal. Las escalas logarítmicas se examinarán en detalle en el capítulo 9. Todos los pará- metros se han normalizado a la unidad de modo que el cambio de magnitud relativo con la corriente de colector es fácil de determinar. En cada conjunto de curvas, como las de las figuras 5.124 a 5.126, siempre se indica el punto de operación al cual se determinaron los parámetros. En esta situación particular, el punto quiescente se encuentra en los valores típicos de VCE 5.0 V e IC 1.0 mA. Como la frecuencia y temperatura de operación también afectan los paráme- tros, en las curvas también se indican estas cantidades. La figura 5.124 muestra la variación de los parámetros con la corriente del colector. Observe que con IC 1 mA el valor de todos los parámetros se normaliza a 1 sobre el eje vertical. El resultado es que la magnitud de cada paráme- tro se compara con los valores definidos en el punto de operación definido. Como los fabrican- tes en general utilizan los parámetros híbridos para gráficas de este tipo, son las curvas que se utilizan en la figura 5.124. Sin embargo, para ampliar el uso de las curvas también se agregaron los parámetros equivalentes rey p híbrido.
hre = rp rp + ru rp rm hie(re) hre ( ) r ru hfe() hoe( ro1) hoe( ro1) Magnitud relativa de parámetros.
FIG. 5.124
Variaciones de los parámetros híbridos con la corriente de colector. A primera vista es particularmente interesante observar que:
El parámetro hfe(B)es el que varía menos de todos los parámetros de un circuito equivalen-
te del transistor cuando se traza contra las variaciones en la corriente del colector.
La figura 5.124 revela clramente que para el intervalo total de valores de la corriente del co- lector el parámetro hfe(b) varía desde 0.5 de su valor del punto Q hasta un valor máximo de 1.5 veces ese valor con una corriente de aproximadamente 6 mA. Para un transistor con una b de 100, por consiguiente, varía de aproximadamente 50 a 150.
Este valor parece bastar, pero observe hoe, el cual eleva a casi 40 veces su valor de punto Q con una corriente de colector de 50 mA.
La figura 5.124 también muestra que los parámetros que más varían son hoe(1>ro) y hie(bre). El parámetro hievaría desde aproximadamente 10 veces su valor del punto Q hasta aproximada- mente un décimo de su valor del punto Q con 50 mA. Sin embargo, se deberá esperar esta variación porque sabemos que el valor de reestá directamente relacionado con la corriente de emisor por re 26 mV>IE. Conforme se incrementa, el valor de rey, por consiguiente bre, se reducirán, como se muestra en la figura 5.124.
Tenga presente cuando revise la curva de hoecontra la corriente, que la resistencia de salida real roes 1>hoe. Por consiguiente, a medida que la curva se incrementa con la corriente, el valor
de rose hace cada vez menor. Como roes un parámetro que normalmente aparece en paralelo con la carga aplicada, los valores decrecientes de ropueden llegar a convertirse en un proble- ma crítico. El hecho de que rose haya reducido a casi 1>40 de su valor en el punto Q podría implicar una reducción real de la ganancia a 50 mA.
El parámetro hrevaría bastante , pero como su valor del punto Q en general es suficientemen- te pequeño como para ignorar su efecto, es un parámetro de interés sólo con corrientes de colec- tor que son mucho menores o quizá algo más que el nivel del punto Q.
Ésta puede parecer una descripción extensa de un conjunto de curvas de características. Sin embargo, la experiencia ha revelado que las gráficas de esta naturaleza a menudo se revisan sin to- marse el tiempo para apreciar en plenitud el amplio impacto de lo que están proporcionando. Estas gráficas revelan mucha información que podría ser extremadamente útil en el proceso de diseño.
La figura 5.125 muestra la variación de la magnitud de los parámetros provocada por cambios en el voltaje del colector al emisor. Este conjunto de curvas está normalizado al mismo punto de operación que las curvas de la figura 5.124, lo que permite comparar entre los dos. En este caso, sin embargo, la escala vertical está en porcentaje y no en números enteros. El nivel de 200% define un conjunto de parámetros que es dos veces el del nivel de 100%. Un nivel de 100% reflejaría un cambio de 10:1. Observe que la magnitud de hfey hiees relativamente constante con variaciones del voltaje del colector al emisor, en tanto que con cambios de la corriente del co- lector la variación es mucho más significativa. En otras palabras, si desea que un parámetro como hie(bre) permanezca constante, mantenga la variación de ICal mínimo al mismo tiempo que se preocupa menos sobre las variaciones del voltaje del colector al emisor. La variación de hoey hiepermanece significativa en el intervalo indicado del voltaje del colector al emisor.
IE 1IC2 hie(re) hie(re) hre ( ) r ru hre ( ) r ru hfe() hfe() hoe( ) 1 ro hoe( ro1) 1 1
valor de cada cantidad de
FIG. 5.125
Variaciones de los parámetros híbridos con el voltaje del colector al emisor.
331 VARIACIONES DE LOS PARÁMETROS DEL TRANSISTOR
En la figura 5.126, las variaciones de los parámetros están graficadas para cambios de tem- peratura en la unión. El valor de normalización se considera como la temperatura ambiente, T 25°C. Ahora la escala horizontal es lineal en lugar de la escala logarítmica empleada en las dos figuras anteriores. En general:
Todos los parámetros de un circuito híbrido equivalente del transistor se incrementan con la temperatura.
Sin embargo, de nuevo tenga en cuenta que la resistencia de salida real roestá inversamente relacionada con hoe, de modo que su valor se reduce con un incremento de hoe. El cambio más
ANÁLISIS DE CA DE UN BJT 332
grande ocurre en hie, aunque observe que el intervalo de la escala vertical es considerablemente menor que el de las otras gráficas. A una temperatura de 200°C el valor de hiees casi tres veces su valor del punto Q, pero en la figura 5.124 los parámetros se incrementan a casi 40 veces el valor del punto Q.
De los tres parámetros, por consiguiente, la variación de la corriente del colector es la que más afecta los parámetros de un circuito equivalente de transistor. La temperatura siempre es un factor, aunque el efecto de la corriente del colector puede ser significativo.
5.24
SOLUCIÓN DE FALLAS
●
Aun cuando la terminología solución de fallas sugiere que los procedimientos que se van a des- cribir están diseñados tan sólo para aislar una avería, es importante tener en cuenta que se pue- den aplicar las mismas técnicas para asegurarse de que un sistema está funcionando de manera correcta. En todo caso, los procedimientos de prueba, verificación y aislamiento requieren en- tender lo que se espera en varios puntos de la red tanto en el dominio de cd como en el de ca. En la mayoría de los casos, una red que opera correctamente en el modo de cd también lo hará en el dominio de ca. Además, es más probable que una red que proporciona la respuesta de ca espe- rada se polarice como se planeó. En un entorno de laboratorio típico, se aplican fuentes tanto de cd como de ca y la respuesta de ca en varios puntos de la red se verifica con un osciloscopio como se muestra en la figura 5.127. Observe que el cable negro (tierra) del osciloscopio está conectado directamente a tierra y que el rojo se cambia de un punto a otro de la red, lo que proporciona los patrones que aparecen en la figura 5.127. Los canales verticales se ajustan en el modo de ca pa- ra eliminar cualquier componente de cd asociado con el voltaje en un punto particular. La señal de ca pequeña aplicada a la base se amplifica al nivel que aparece del colector a tierra. Observe la diferencia en las escalas verticales de los dos voltajes. No hay respuesta de ca en el emisor de- bido a las características de cortocircuito del capacitor a la frecuencia aplicada. El hecho de que vose mide en volts y vien milivolts indica una ganancia cuantificable para el amplificador. En general, parece que la red está funcionando correctamente. Si se deseara, se podría utilizar el modo de cd de un multímetro para verificar el VBEy los niveles de VB, VCE, y VEpara comprobar si están dentro del intervalo esperado. Desde luego, también se puede utilizar el osciloscopio para comparar los niveles de cd simplemente con cambiarlo al modo de cd para cada canal.
Una respuesta de ca deficiente puede deberse a varias razones. De hecho, puede haber más de un área problemática en el mismo sistema. Por suerte, sin embargo, con el tiempo y la expe- riencia, se puede pronosticar la probabilidad de fallas en un área, y una persona experimentada puede aislar las áreas problemáticas con bastante rapidez.
En general, no hay misterio alguno en relación con el proceso general de solución de fallas. Si decide seguir la respuesta de ca, es un buen procedimiento iniciar con la señal aplicada y avanzar a través del sistema en dirección a la carga, verificando los puntos críticos a lo largo del
hie(re) hre ( ) r ru hfe() hoe( ro1) hie(re) hre ( ) r ru hfe() hoe( ro1) 1 1 (H2O congelada) (H2O hirviente)
Magnitud relativa de parámetros.
Temperatura ambiente
FIG. 5.126
camino. Una respuesta inesperada en un punto indica que la red no está funcionando bien en esa área, y de esa manera se define la región que hay que investigar más a fondo. La forma de onda obtenida en el osciloscopio ciertamente ayudará a definir los posibles problemas con el sistema.
Si la respuesta de la red de la figura 5.127 es como aparece en la figura 5.128, la red tiene una falla localizada probablemente en el área del emisor. No se espera una respuesta de ca a tra- vés del emisor y la ganancia del sistema revelada por voes mucho menor. Recuerde que para es- ta configuración la ganancia es mucho mayor si se evita RE. La respuesta obtenida indica que hay que verificar el capacitor. En este caso, la verificación de los niveles de cd quizá no aísle el área problemática porque el capacitor tiene un equivalente de “circuito abierto” para cd. En ge- neral, el conocimiento previo de lo que hay que esperar, el conocimiento de los instrumentos, y,
+
Vs Rs–
RC RE e VCC RB (V) t 0 CE (mV) Banda de tierra C1 o C2 0 t t 0 Osciloscopio vi v e v v o v(AC-TIERRA-CD, interruptor en CA)
vi vi(mV) ve ve vo vo(V) FIG. 5.127
Utilización de un osciloscopio para medir y mostrar varios voltajes de un amplificador BJT.
(mV) (V) (V) vi vi ve vo vo FIG. 5.128
Formas de onda producidas por una avería en el área del emisor.
SOLUCIÓN DE FALLAS
ANÁLISIS DE CA DE UN BJT
334 lo más importante, la experiencia, son factores que contribuyen al desarrollo de un acercamien- to efectivo al arte de la solución de fallas.