En las figuras a continuación, vemos dos métodos de polarización de un transistor bipolar: el primero utiliza un divisor de voltaje y el segundo emplea un regulador de diodo zener.
Dado que el regulador de voltaje aparece con mucha más frecuencia, me pregunto si existe algún escenario o razón que me obligaría a usar un regulador de diodo zener en su lugar.
Basándome en los esquemáticos que publicas, la mayoría de respuestas aquí tienen una buena cantidad de información sobre resistores versus zener.
Sin embargo, para ofrecer una visión justa y equilibrada hacia tus dibujos específicos, agregaré un poco de información extra sobre el hundimiento de corriente.
Lo que sucede en tus circuitos es que el transistor está configurado como un seguidor de emisor. Significa que querrá mantener el voltaje en su emisor a 0,7V por debajo del voltaje de la base si es posible. Hará que sus curvas de saturación/amplificación trabajen en eso.
Si pones un voltaje fijo a través de una resistencia fija, esta resistencia querrá que fluya una corriente. Por lo tanto, siempre que tu carga y transistor puedan soportar la corriente "requerida", el voltaje base del transistor determinará la corriente a través de la carga.
Dado un rango de voltaje de suministro establecido, la corriente hacia la base será bastante predecible, por lo que puedes ajustarla tanto con un divisor de resistencia como con un diodo zener con los cálculos adecuados.
Bueno, si usas dos resistencias, el voltaje base estará relacionado con el voltaje de entrada. Si las resistencias son de igual valor (lo suficientemente bajo como para ignorar la corriente base), el voltaje base será de 5V con una fuente de alimentación de 10V, pero 6V con una fuente de alimentación de 12V. Eso suena como un problema, pero en muchos casos, eligiendo el equilibrio adecuado entre el divisor de resistencias puede dar el efecto deseado de limitar la corriente en la carga al encender un circuito de baja potencia. También puede dar una respuesta a los voltajes entrantes que deseas, si tienes un voltaje de control de 6V a 60V, por ejemplo, puedes convertirlo en una curva de corriente usando solo un par de resistencias, un transistor y una resistencia en el camino del emisor.
Por supuesto, tener 50 valores de resistencias a mano es algo muy común, lo que añade a la usabilidad del circuito solo con resistencias, mientras que generalmente tienes que tener el diodo zener adecuado.
Si, en cambio, tienes una fuente de alimentación inestable, pero necesitas una corriente estable, probablemente deberías usar un diodo zener.
El diodo zener cambia de voltaje con diferentes corrientes, pero si seleccionas un diodo zener que esté especificado como 5.1V a 5mA, puedes suponer en tus cálculos que entre 3mA y 6mA será relativamente estable. También puedes calcular la variación de voltaje usando la resistencia diferencial mencionada en la hoja de datos, pero creo que eso es para una respuesta diferente en un momento diferente.
Entonces, si quieres que el voltaje base permanezca en 5.1V, seleccionas el zener de 5.1V a 5mA; si luego la fuente es de 12V, seleccionas una resistencia para que pasen 5mA a través de ella:
R = V/I = (12V - 5.1V) / 0.005A = 1.38kOhm.
Suponiendo que puedas obtener este valor exactamente (puedes redondear a 1.2 o 1.5k debido a la estabilidad relativa del zener cerca del punto de ajuste elegido), el voltaje puede ir desde:
V = 5.1V + (R * Imin) = 5.1V + (1380 * 0.004) = 5.1V + 5.52V = 10.62V
a
V = 5.1V + (R * Imax) = 5.1V + (1380 * 0.006) = 13.38V
Antes de tener que empezar a pensar en lo que hace el zener a niveles de corriente más altos o más bajos, añade mucha estabilidad con respecto al voltaje de suministro, lo que hace que la corriente a través de la carga sea mucho más estable.
Una alternativa (que es aún más estable) sería simplemente dos diodos estándar, como 1N4148, en serie para crear un voltaje fijo de 1.2V a 1.4V (dependiendo del rango de corriente que estés observando). Usar esos en la dirección directa podría darte una buena estabilidad desde 0.1mA a 5mA o desde 1mA a 10mA, etc. Pero es un poco un arte oscuro para muchos diseñadores principiantes llegar a los cálculos del punto de ajuste correcto. Especialmente porque las hojas de datos de los diodos no siempre mencionan todos esos datos, como el voltaje directo versus baja corriente.
Tengo algunos problemas para seguir tus argumentos. Ciertamente, en tu ejemplo el voltaje base asumido (5.1V) es el resultado de otra suposición para Vbe (0.6...0.7V). Debido a que esta es una suposición muy aproximada, no tiene mucho sentido discutir con valores exactos de resistencia y tolerancias correspondientes. Estos problemas/incertidumbres pueden ser (y son, en la práctica) drásticamente reducidos aplicando realimentación de corriente continua (resistencia de emisor Re).
@LvW Si usas las hojas de datos adecuadas de manera correcta, la caída de base a emisor se puede calcular utilizando las fórmulas adecuadas hasta el milivoltio, no veo por qué eso sería un problema en absoluto. La retroalimentación es una invención muy moderna en comparación y no siempre es una solución factible, especialmente cuando comienzas a tener en cuenta la impedancia reflejada y los márgenes de fase del bucle que incluso podrían causar un comportamiento inestable en sistemas de transistores.
No - No creo que una hoja de datos pueda darte información confiable sobre el valor de Vbe que es necesario para una cierta corriente Ic. Más que eso, no clasificaría "retroalimentación" como una "invención muy moderna". El principio de retroalimentación fue introducido por H. Black ya en los años 30 del siglo pasado - y se aplica en cada amplificador de transistor. De lo contrario, se destruiría debido a la retroalimentación térmica (auto-calentamiento).
Para polarizar una etapa de amplificador basada en BJT, es común usar un divisor resistivo de voltaje. Por lo general, este divisor se elige de baja resistencia para proporcionar un voltaje de polarización "rígido". La razón es que el voltaje base producido debe ser lo más independiente posible de la corriente base del BJT, que tiene tolerancias muy grandes. Por otro lado, estas resistencias reducen la resistencia de entrada resultante de la etapa (un efecto no deseado). Por esta razón, es necesario un equilibrio: resultando, por ejemplo, en una corriente a través de este divisor que se elige ser aproximadamente diez veces más grande que la corriente base.
Como alternativa, la "rigidez" deseada del voltaje base se puede lograr con un Z-diodo que es capaz de producir un voltaje de cc muy constante, casi independiente de la corriente a través de la resistencia superior (entre la base y el voltaje de alimentación). Depende de la aplicación específica si la resistencia de entrada dinámica resultante es aceptable o no. Si no lo es, se podría aplicar el método de bootstrap.
Usted dice que para una etapa de amplificador (es decir, para una señal de CA), "es común usar un divisor de voltaje resistivo". ¿Estaría de acuerdo en que es más correcto decir que es necesario usar un divisor de voltaje? Vea la respuesta de Rol a continuación afirmando que para "... aplicaciones de CA (acopladas capacitivamente) no se puede usar un zener ...".
Un bias de diodo Zener significa que el voltaje de polarización es casi independiente del voltaje de alimentación. Esto podría ser útil en cualquier circuito con una fuente de alimentación no regulada. Por el contrario, un divisor de resistencia produce un voltaje de polarización proporcional al voltaje de alimentación.
La impedancia dinámica de un diodo Zener es pequeña (el voltaje a través del diodo no varía mucho, incluso con grandes cambios en la corriente a través de él). Esto hace que el divisor de voltaje zener sea muy 'rígido', lo que significa que la impedancia de entrada del amplificador es baja. Esto es generalmente no deseable, lo cual puede ser una razón por la cual el bias de diodo zener es inusual. (Otra razón puede ser que los zeners suelen ser más caros que las resistencias.)
Obviamente, en esta aplicación en particular el transistor se utiliza para formar una fuente de corriente constante. Es decir, su propósito es proporcionar corriente estable a través de la carga incluso si la fuente de voltaje principal (20V o 12V) no es estable. Esto se logra mediante retroalimentación negativa por medio del voltaje a través de la resistencia del emisor dado que el voltaje de la base es constante.
Por lo tanto, una tensión de polarización directamente derivada del voltaje de la fuente principal (divisor de voltaje) no funciona. Se requiere una referencia de voltaje (Z-diodo) independiente de la fuente de voltaje principal.
Es prácticamente más fácil encontrar un par de resistencias de valores determinados que un diodo zener del voltaje inverso que puedas necesitar.
Además, debes contar con una disipación de potencia ligeramente mayor en el diodo, ya que la corriente es más alta que cuando usas un divisor de voltaje resistivo.
Para aplicaciones de CA (con acoplamiento capacitivo) no puedes usar un zener, ya que el voltaje quedará casi fijo en la base.
Quieres usar un zener para tener una referencia de voltaje estable para la operación de CC.
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Creo que también deberías haber preguntado: ¿Por qué se necesita un transistor en absoluto? ¿Por qué no simplemente usar una resistencia en serie para la carga? Obviamente, se asume que el voltaje de suministro no es estable o la carga tiene resistencia variable y se supone que el circuito del transistor proporciona corriente estable para la carga. Para obtener una explicación más detallada, consulta mi respuesta a continuación.