LOS TRANSISTORES
Los transistores son elementos de estado sólido o SEMICONDUCTORES, que tienen tres terminales: Emisor, Base y Colector.
También conocidos como Elementos Activos de Estado Sólido que funcionan como interruptores o amplificadores de corriente.
HISTORIA
Hace más de 50 años, el elemento principal en el funcionamiento de televisores y radios eran las válvulas electrónicas fabricadas de cristal (vidrio) y plástico, las que comúnmente se les conocía como “bulbos”, válvulas” o “tubos al vacío”.
Para que estos aparatos electrodomésticos empezaran a funcionar, primero había que activar la perilla de encendido y luego esperar cierto tiempo hasta que los filamentos de los tubos se calentaran. Los filamentos eran pequeños tiras de tungsteno que se calientan a altas temperaturas. El cátodo debe calentarse, y esto se logra pasando una corriente cercana a él. El voltaje típico que se requiere para lograr esto es de 250 V.
Todo aparato que utilizaba “tubos al vacío” consumían mucha corriente eléctrica y generaba una gran cantidad de calor, además que los filamentos de aquellos se fundían luego de cumplirse su ciclo de vida, limitado a 1000 horas.
Durante 1945 a 1949 el grupo de la compañía Bell desarrolló la teoría de los transistores, la verificó experimentalmente y construyó diodos y triodos. En el año de 1956 Bardeen, Shockley y Brattain recibieron el Premio Nobel de Física por el brillante trabajo que desembocó en la invención del transistor.
Cabe mencionar que Bardeen recibió en 1972 nuevamente el Premio Nobel de Física, ahora en compañía de J. R. Schrieffer y L. N. Cooper, por haber desarrollado la teoría de la superconductividad.
VENTAJAS DE LOS TRANSISTORES
Los transistores tienen varias ventajas sobre los tubos al vacío:
- No emplean un filamento interno de calentamiento (caldeo)
- Disipan una menor cantidad de energía en forma de calor
- El consumo de energía es sensiblemente bajo
- Tienen duración indefinida (muchas horas de servicio)
- Ocupan menos espacio (son más pequeños), con él se inició la miniaturización de los aparatos electrónicos.
- Estructura robusta, ya que pueden resistir excesivos vibraciones y choques.
-Pueden reproducir otros fenómenos, como la fotosensibilidad.
- Más económicos.
ESTRUCTURA INTERNA
El TRANSISTOR está constituido por dos materiales de tipo N separados por un material de tipo
P (transistor NPN) o en dos materiales P separados por un material N
(transistor PNP).
TIPO NLas capas N están formadas por cristales de un material semiconductor. Por ejemplo el Silicio, la capa N esta formada por cristales de silicio con impurezas. Estas impurezas pueden ser: Arsénico, Fósforo u Antimonio.
TIPO P
El material P está formado por cristales de Silicio o cualquier otro material semiconductor como el Germanio e impurezas como el Boro. El Boro al tener sólo tres electrones en su última capa provoca un hueco al unirse a un cristal de silicio.
APLICACIONES:
Tiene la propiedad de controlar la corriente eléctrica que circula a través de él, a partir de una corriente eléctrica muy pequeña.
- Funciona como un interruptor eléctrico, CONMUTAR. (Electrónica Digital)
- Funciona como un amplificador de corriente, REGULAR. (Electrónica Análoga)
Los transistores reemplazaron a los tubos al vacío, donde se podría mencionar algunas diferencias:
Tamaño
Rapidez de encendido
Potencia
Vida útil
Costos
TIPOS DE TRANSISTORES
SIMBOLOGÍA DE LOS TRANSISTORES
ENCAPSULADOS
CÓDIGO DE LOS TRANSISTORES
JEDEC
Estos
toman la forma: dígito, letra, número de serie, [sufijo]
-
El primer dígito es siempre una unidad menor que el número de pines, (2 para
transistores), 4N y 5N que están reservados para opto-acopladores.
-
La letra es siempre 'N'
-
El número de serie se sitúa entre el 100 y el 9999 y no dice nada sobre el
transistor, salvo su fecha aproximada de introducción.
El
[sufijo] opcional indica la ganancia (hfe)
genérica del dispositivo:
A
= ganancia baja
B = ganancia media
C = ganancia alta
Sin
sufijo = cualquier ganancia
Ejemplos: 2N3819, 2N2222A, 2N3904, 2N3906
JIS
Toman
la forma: dígito, dos letras, número de serie, [sufijo]
Nuevamente,
el dígito es una unidad menor que el número de pines.
Las
letras indican el área de aplicación y tipo de dispositivo según el siguiente
código:
SA: Transistor PNP HF SB: Transistor PNP AF
SC: Transistor NPN HF SD: Transistor NPN AFSE: Diodos
SF: Tiristores SG: Dispositivos de disparo
SH: UJTSJ: FET/MOSFET de canal-p
SK:
N-channel FET/MOSFET SM: Triac
SQ: LED SR:
Rectificadores
SS: Diodos de señal ST: Diodos avalancha
SV: Varicaps SZ:
Diodos Zener
El
número de serie varía entre 10 y 9999.
El
[sufijo] opcional indica que dicho tipo está aprobado para el empleo por varias
organizaciones japonesas.
NOTA:
Desde que el código de los transistores siempre comienza por 2S,
este es siempre omitido (en la mayoría de los casos), por ejemplo: un 2SC733
puede estar marcado como C 733.
Ejemplos: 2SA1187, 2SB646, 2SC733.
Pro-electron
Toman
la forma: dos letras, [letra], número de serie, [sufijo]
La
primera letra indica el material:
A
= Ge B = Si C = GaAs R = mezcla de materiales.
La
segunda letra indica la aplicación del dispositivo:
A: Diodo RF
B: Variac
C: transistor, AF, pequeña señal
D:
transistor, AF, potencia
E: Diodo túnel
F: transistor, HF, pequeña
señal
K: Dispositivo de efecto Hall
L:
Transistor, HF, potencia
N: Optoacoplador
P: Dispositivo sensible
a la radiación
Q: Dispositivo productor de radiación
R: Tiristor, baja potencia
T: Tiristor,
potencia
U: Transistor, potencia, conmutación
Y: Rectificador
Z: Zener, o diodo
regulador de tensión
La
tercera letra indica que el dispositivo está pensado para aplicaciones
industriales o profesionales, más que para uso comercial. suele ser una W, X,
Y, Z.
El
número de serie varía entre 100 y 9999.
El
sufijo indica la ganancia genérica en grupo, como en los JEDEC.
Ejemplos: BC108A, BAW68, BF239, BFY51.
Para entender el
modo de funcionamiento del transistor bipolar se toma como ejemplo un proceso
hidráulico.
Por la tubería O
llega presión de agua y puede seguir dos caminos:
Por lo tanto, por
la tubería E no sale agua y podemos decir que el transistor está
bloqueado.
Si abrimos un
poco la llave L comienza a salir agua por el tubo B y ésta empuja
la palanca que unida al tapón permite el paso de agua por la tubería C.
Por la tubería E
ahora sale el agua que pasa por C más el agua que pasa por B.
La figura final
muestra como si abrimos más la llave de paso L por la tubería B
sale más agua y por lo tanto empuja más fuerte a la palanca y abre
completamente el paso por la tubería C.
FUNCIONAMIENTO DE LOS TRANSISTORES BIPOLAR
El transistor posee tres (3) zonas
de funcionamiento:
ZONA
DE SATURACIÓN: En
esta zona un aumento adicional de la corriente de base no provoca un aumento de
la corriente de colector, ésta depende exclusivamente de la tensión entre
emisor y colector. El transistor se asemeja en su circuito emisor-colector a un
interruptor
cerrado.
ZONA
ACTIVA: En este intervalo el transistor se
comporta como una fuente de corriente, determinada por la corriente de base. A
pequeños aumentos de la corriente de base corresponden grandes aumentos de la
corriente de colector, de forma casi independiente de la tensión entre emisor y
colector.
ZONA
DE CORTE: El hecho de hacer nula la
corriente de base, es equivalente a mantener el circuito base emisor abierto,
en estas circunstancias la corriente de colector es prácticamente nula y por
ello se puede considerar el transistor en su circuito C-E como un interruptor
abierto.
Los
transistores se usan en su zona activa cuando se emplean como amplificadores de
señales.
Las zonas de
corte y saturación son útiles en circuitos digitales.
Mediante
la
variación de una corriente débil aplicada en la base
del
transistor se puede gobernar otra mucho más intensa
entre colector y emisor.
Esto
significa que pequeñas corrientes eléctricas pueden ser amplificadas, o lo que
es lo mismo, que señales débiles pueden transformarse en otras suficientemente
fuertes.
La intensidad que atraviesa el
emisor es igual a la intensidad que pasa por el colector más la intensidad que
pasa por la base.
Una
corriente pequeña que se inyecta por el terminal de la base controla el flujo
de corriente por el colector.
NPN:
Para que pueda circular una corriente de colector Ic,
el voltaje aplicado al colector debe ser positivo con respecto al emisor.
Si colocamos una pequeña corriente en la terminal denominada
base, entonces es como si un interruptor se cierra y la corriente fluye
entre las otras dos terminales (emisor y colector).
Pero, si no hay corriente en la base, entonces el
interruptor se encontrará abierto, es decir, no fluirá corriente alguna entre
el emisor y el colector.
PNP:
Para que pueda circular una corriente de colector Ic,
el voltaje aplicado al colector debe ser negativo con respecto al emisor.
Nota: El emisor emite, el colector recoge y la base recombina.
El sentido de las corrientes es el contrario al de los electrones. CONDICIONES DE FUNCIONAMIENTO
Las condiciones normales de funcionamiento de un
transistor NPN se dan cuando el diodo B-E se encuentra polarizado en directa y
el diodo B-C se encuentra polarizado en inversa. En esta situación gran parte
de los electrones que fluyen del emisor a la base consiguen atravesar ésta,
debido a su poco grosor y débil dopado, y llegar al colector.
El transistor es un amplificador de corriente, esto
quiere decir que si le introducimos una cantidad de corriente por una de sus
terminales (base), el entregará por otra (emisor), una cantidad mayor a ésta,
en un factor que se llama amplificación (o ganancia). Este factor se llama β
(beta) y es un dato propio de cada transistor. BETA es la cantidad de veces
que la Ic es más grande que Ib en un transistor. (Un valor típico es 100)
Ic (corriente que pasa por el
terminal colector) es igual a β (factor de amplificación) por Ib
(corriente que pasa por el terminal base).
Ic
= β * Ib
Ie (corriente que pasa por el terminal emisor) es del mismo valor que Ic,
sólo que, la corriente en un caso entra al transistor y en el otro caso sale de
él, o viceversa.
REGLAS EN EL TRANSISTOR NPN
1). El colector debe estar a una tensión mayor que el
emisor.
2). Los circuitos base-emisor y base-colector se
comportan como diodos. Normalmente, el diodo base-emisor está polarizado en
directa, y el base-colector en inversa, es decir, contrario a la dirección de
flujo de corriente. La flecha en el símbolo del transistor indica el diodo
polarizado en directa.
3). Cada transistor tiene un valor máximo de IC,
IB y VCE que no puede excederse sin correr el riesgo de
destruirlo. Hay también otros límites, como la potencia disipada IC VCE,
temperatura, VBE, señalados en las hojas de datos.
4). Cuando se cumplen las reglas 1 a 3, la corriente IC
es proporcional a IB y puede escribirse como: IC = b IB
CORRIENTES DE LOS TRANSISTORES
La Ley de las Corrientes de Kirchhoff, establece que la suma
de todas las corrientes que entran a un nudo o unión es igual a la suma de
todas las corrientes que salen de ese nudo o unión. A1 aplicarse a un
transistor, la Ley de Kirchhoff proporciona esta importante relaci6n entre las
tres corrientes del transistor:
IE = IC + IB
Teniendo en cuenta que la corriente de base es mucho menor
que la corriente de colector, es habitual hacer la siguiente ' aproximación: la
corriente de colector es igual a la corriente de emisor:
IC » IE
Y la corriente de base es mucho más pequeña que la
corriente de colector: IB < IC
ALFA
La alfa de continua, se
define como la corriente continua de colector dividida por la corriente
continua de emisor:
Como la corriente de colector es
casi igual que la corriente de emisor, α es ligeramente menor que 1.
BETA
La beta de continua, se
define como la corriente continua de colector dividida por la corriente continua
de la base:
La beta de continua se conoce
también como la ganancia de corriente porque una pequeña corriente de base produce una corriente
mucho mayor de colector.
La ganancia de corriente es una gran
ventaja de un transistor y ha llevado a todo
tipo de aplicaciones. Para transistores de baja potencia (por debajo de 1 W),
la ganancia de corriente es típicamente de 100 a 300. Los transistores de
alta potencia (por encima de 1 W) normalmente tienen ganancias de
corriente entre 20 y 100.
EL TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR
EL TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR DE CORRIENTE
Una pequeña corriente de base puede
controlar una corriente de colector mucho mayor.
PRUEBA DE LOS TRANSISTORES
Antes de realizar las correspondientes pruebas a los transistores, es fundamental conocer el significado de sus terminales y la estructura interna de estos.
Los Transistores Bipolares (BJT) se clasifican en NPN y PNP.
Los terminales reciben el nombre de: Base (B), Emisor (E) y Colector (C).
Las dos funciones principales de los transistores es actuar como INTERRUPTOR o AMPLIFICADOR DE CORRIENTE.
Los transistores BJT están conformados por dos diodos rectificadores. Cuando se comprueba su funcionamiento debe medirse en la escala de diodos y tomar nota de los datos que se dan en el multímetro tanto en polaridad directa como inversa.
TRANSISTORES NPN
En los transistores NPN para que se active la base y actúe como un interruptor, entonces debe llegarle a esta base una corriente positiva.
TRANSISTORES PNP
En los transistores PNP para que se active la base y actúe como un interruptor, entonces debe llegarle a esta base una corriente negativa.
LOCALIZACIÓN DEL EMISOR Y EL COLECTOR
Para que un transistor conduzca es necesario polarizar directamente el diodo base-emisor, e inversamente el diodo base-colector.
Se mide la tensión en R2 y se calcula la intensidad IR2 = VR2/R2.
De las dos intensidades medidas en los dos circuitos, la que sea mayor, corresponde con la adecuada elección de los pines.
Al estar el transistor correctamente polarizado, la corriente de colector es mayor.
CUESTIONARIO SOBRE TRANSISTORES
Para un mejor desarrollo de los montajes de circuitos con transistores en el laboratorio se deben resolver las siguientes preguntas:
CUESTIONARIO SOBRE TRANSISTORES
- Diferencia entre los transistores y los tubos al vacío
- Estructura interna de un transistor bipolar
- Tipos de transistores
- Simbología de los transistores
- Encapsulados de los transistores
- Funciones de un transistor bipolar
- Explicación del funcionamiento de los transistores bipolares
- ¿Cómo se prueba un transistor bipolar?
- Ejemplos de conexionado de transistores NPN y PNP
- Qué es el factor Beta (B).
Se presenta el siguiente recurso: Video:
¿QUÉ SON LOS TRANSISTORES? (You Tube)
COMPUERTAS LÓGICAS DISEÑADAS CON TRANSISTORES
COMPUERTA NOT
Si se cierra el interruptor A, le llega un pulso positivo a la base del transistor NPN y éste se active dejando pasar la corriente a través de él. Como la corriente busca el camino más fácil para circular, al led le corresponde una pequeña corriente que no logra encenderlo. Y si a la base del NPN no le llega un pulso positivo, el transistor no se activa y por éste no circula corriente, en cambio sí lo hará a través de la resistencia y el led, logrando encenderlo.
Conclusión: La salida S se activa (1), cuando la entrada A esté en BAJO (0) y la salida será 0, si la entrada A este en ALTO (1).COMPUERTA AND
Para el análisis del funcionamiento del anterior circuito es necesario comprender el funcionamiento de los Transistores BJT, que para este caso, se trata de un Transistor NPN, exigiendo que le llegue un pulso positivo a la base, para que esta se cierre y active el transistor, permitiendo el paso de la corriente eléctrica.
Al colocar en estado ALTO una de las dos entradas (A o B), se activaría el transistor correspondiente, pero como uno de ellos no se ha activado, entonces estaría abierto y por ende no circularía corriente.
Pero si las dos entradas (A y B) tienen un pulso ALTO (1), simultáneamente, se activarían las bases de los transistores, entonces éste se cierre el circuito, dejando pasar la corriente, y así se lograría activar la salida S.
Conclusión: La salida S se activa (1), cuando las dos entradas (A y B) estén en ALTO (1).
CLASIFICACIÓN DE LOS TRANSISTOR
-SEGÚN SU USO-
TRANSISTORES
DE PROPÓSITO GENERAL: Son los de tipo NPN o PNP, diseñados para operar con
señales pequeñas de corriente directa en rangos de baja frecuencia; se emplean
como osciladores e interruptores electrónicos.
TRANSISTORES
DE BAJO RUIDO: Son dispositivos diseñados para obtener una característica de
respuesta lineal en su parámetro hFE y bajo ruido (señales parásitas que aparecen
en la salida del transistor) cuando opera como amplificador.
TRANSISTORES
DARLINGTON: Par de transistores conectados en cascada que se utilizan en
aplicaciones donde se requiera muy alta ganancia y un valor de resistencia de
entrada elevada (impedancia).
TRANSISTORES
DE ALTA CORRIENTE: Son dispositivos capaces de manejar valores elevados de
corriente como señales de bajo voltaje, aplicados en circuitos de control de la
electrónica industrial.
TRANSISTORES
DE ALTO VOLTAJE: Diseñados para controlar flujos de baja corriente, pero con
voltajes elevados como en interruptor de displays de gas, control de línea de
alimentación eléctrica comercial
TRANSISTORES
DE RADIO FRECUENCIA (RF): Tienen la capacidad de operar con señales de muy alta
frecuencia, frecuentemente en el rango de las ondas de radio, VHF y UHF.
TRANSISTORES
DE CONMUTACIÓN: Tienen la capacidad de operar en modo corte-saturación, es
decir, en un momento puede actuar como interruptor abierto (no conduce) y en
otro como un interruptor cerrado (conduce).
TRANSISTOR DARLINGTON
Consiste en dos transistores conectados en cascada, donde
la corriente de base del segundo transistor viene del emisor del primer
transistor. Este efecto hace que la ganancia de corriente total del par sea
igual al producto de las ganancias de los transistores de manera individual, es
decir la ganancia es alta.
Los BJT
generalmente tienen una ganancia (relación entre la corriente de la base y la
del colector) de 100. Si se requieren ganancias mayores de 10.000 o más,
entonces se utilizan transistores Darlington.
FOTOTRANSISTOR
Es un transistor fabricado especialmente para que la
corriente Emisor-Colector esté controlada por la cantidad de luz (infrarroja)
que llegue a la base.
Para ello, la base está expuesta a la luz y generalmente
tiene un lente para hacerla más sensible. La mayoría de los fototransistores
son del tipo NPN y no tienen terminal para la base.
Los fototransistores se utilizan como detectores de señales
luminosas de gran sensibilidad, en aparatos de control remoto, comunicaciones
inalámbricas, etc.
Un optoacoplador, optoaislador o aislador
acoplado ópticamente, es un dispositivo de emisión y recepción que funciona
como un interruptor activado mediante la luz emitida por un diodo led que
satura un componente optoelectrónico, normalmente en forma de fototransistor o
fototriac.
Un transistor de efecto campo (Field-Effect Transistor - FET)
típico está formado por una barrita de material P o N, llamada canal, rodeada
en parte de su longitud por un collar del otro tipo de material que forma con
el canal una unión P-N. Se construye empleando dos secciones de material
semiconductor, conectadas en los tres terminales externos del dispositivo, es
decir, para dos terminales se emplea una misma sección de material.
En los extremos del canal se hacen sendas conexiones óhmicas llamadas
respectivamente, sumidero (d: drain) y fuente (s: source), más una conexión
llamada puerta (g: gate) en el collar.
Características:
1. Tiene una resistencia de entrada extremadamente alta (casi 100 MΩ)
2. No tiene un voltaje de unión cuando se utiliza Conmutador (Interruptor)
3. Hasta cierto punto inmune a la radiación
4. Es menos ruidoso
5. Puede operarse para proporcionar una mayor estabilidad térmica
Los FET’s basan en el campo eléctrico para controlar la conductividad de un
"canal" en un material semiconductor.
Tienen tres terminales, denominadas puerta (gate), drenador (drain)
y fuente (source). La puerta es el terminal equivalente a la
base del BJT. El transistor de efecto de campo se comporta como un interruptor
controlado por tensión, donde el voltaje aplicado a la puerta permite hacer que
fluya o no corriente entre sumidero y fuente.
El funcionamiento del transistor de efecto de campo es distinto al del BJT.
En los MOSFET, la puerta no absorbe corriente en absoluto, frente a los BJT,
donde la corriente que atraviesa la base, pese a ser pequeña en comparación con
la que circula por las otras terminales, no siempre puede ser despreciada. Los
MOSFET, además, presentan un comportamiento capacitivo muy acusado que hay que
tener en cuenta para el análisis y diseño de circuitos.
MOSFET
MOSFET: Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,
transistor de efecto campo de metal óxido semiconductor
Está formado por: drenador (drain), puerta (gate)
y fuente (source). Los MOSFET se presentan en dos (2) configuraciones: de canal
N y de canal P. El más usado es el de canal N.
El transistor FQP30N06, con encapsulado TO-220, es
capaz de conmutar hasta 30 A a 60 V. El agujero en el encapsulado TO-220 se
utiliza para atornillar un disipador de calor, que solo es necesario cuando se
conmutan grandes corrientes.
El transistor 2N7000, útil para 500 mA a 60 V. En lugar de
multiplicar una corriente igual que hace un BJT, en un MOSFET no hay conexión
eléctrica entre la puerta y el resto de conexiones. La puerta está separada del
resto de conexiones por una capa aislante.
Si la tensión
puerta-drenador supera el voltaje umbral del MOSFET, este se vuelve conductor y
deja pasar un gran flujo de corriente entre las conexiones del drenador y la
fuente. Este voltaje umbral suele variar entre 2 y 10 V.
Los MOSFET
diseñados para funcionar con salidas digitales desde un microcontrolador, como
un Arduino o un Raspberry Pi, se denominan MOSFET de nivel lógico y garantizan
que su voltaje umbral en puerta será inferior a 3 V.
Las
especificaciones de un MOSFET, especifica unas resistencias de encendido (on)
con unos pocos mΩ y unas resistencias de apagado (off) con varios MΩ para el
transistor. Esto significa que los MOSFET pueden conmutar corrientes muy
superiores a los BJT antes de empezar a calentarse.
Para calcular la potencia en forma de disipación
de calor generada por el MOSFET usando el flujo de corriente que lo atraviesa,
junto con su resistencia de encendido, se hace mediante la fórmula:
P = I2Ron.
Al desconectar el extremo positivo del cable que
va hacia el control del potenciómetro el LED se mantendría encendido. Esto
sucede porque queda suficiente carga en la puerta del MOSFET para mantener su
voltaje en puerta por encima del umbral. Tan pronto como llevemos la puerta a
tierra, la carga se dirigirá hacia allí y el LED se apagará.
REFERENCIAS DE TRANSISTORES DE PROPÓSITO GENERAL
IGBT
Los transistores
IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, transistor bipolar de puerta aislada)
son un tipo exótico de transistor empleado como interruptor en aplicaciones de
alta tensión y alta potencia, puede conmutar voltajes hasta 1000W.
Ofrecen una conmutación
rápida y, generalmente, están muy afinados para el voltaje operacional.
En un BJT tiene
colector, base y emisor; un MOSFET, drenador, puerta y fuente; mientras que un
IGBT combina ambos y posee colector, puerta y emisor.
El IGBT
STGF3NC120HD, es capaz de conmutar 7A a 1,2 KV. Por su parte, el IRG4PC30UPBF
puede conmutar hasta 23A a 600 V.
Los IGBT son
dispositivos controlados por voltaje, igual que los MOSFET, pero la parte del
interruptor funciona igual que en un BJT. La puerta de un IGBT tendrá un
voltaje umbral como la de cualquier MOSFET.
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CIRCUITO: AMPLIFICADOR DE AUDIO
CIRCUITO: PRE-AMPLIFICADOR (Para conectar a la Placa de Arduino)
CIRCUITO: PRE-AMPLIFICADOR
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