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 el 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.
  • Funciona como un amplificador de corriente, REGULAR.
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 varia 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.

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.


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 si 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 está 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.



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.






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