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 N

Las 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.

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 
  1.  Diferencia entre los transistores y los tubos al vacío
  2.  Estructura interna de un transistor bipolar
  3.  Tipos de transistores
  4.  Simbología de los transistores
  5.  Encapsulados de los transistores
  6.  Funciones de un transistor bipolar
  7.  Explicación del funcionamiento de los transistores bipolares
  8.  ¿Cómo se prueba un transistor bipolar?
  9.  Ejemplos de conexionado de transistores NPN y PNP
  10.  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.



OPTOACOPLADOR

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 M)
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







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