Los Transistores

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LOS TRANSISTORES
El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de
amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término "transistor" es la
contracción en inglés de transfer resistor ("resistencia de transferencia"). Actualmente se
los encuentra prácticamente en todos los aparatos domésticos de uso diario: radios,
televisores, grabadoras, reproductores de audio y video, hornos de microondas,
lavadoras, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo,
computadoras, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X,
tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3, teléfonos móviles, etc.
Los transistores son unos elementos que han facilitado, en gran medida, el diseño de
circuitos electrónicos de reducido tamaño, gran versatilidad y facilidad de control.
Vienen a sustituir a las antiguas válvulas termoiónicas de hace unas décadas. Gracias a
ellos fue posible la construcción de receptores de radio portátiles llamados comúnmente
"transistores", televisores que se encendían en un par de segundos, televisores en color...
Antes de aparecer los transistores, los aparatos a válvulas tenían que trabajar con
tensiones bastante altas, tardaban más de 30 segundos en empezar a funcionar, y en
ningún caso podían funcionar a pilas, debido al gran consumo que tenían.
Es uno de los componentes electrónicos más versátiles. Esta formado por la unión de tres
cristales semiconductores.
El funcionamiento del transistor esta basado en la capacidad de gobernar la intensidad de
corriente que circula entre el emisor y el colector mediante el paso de una pequeña
corriente electica por la base.
Veremos mas adelante como un circuito con un transistor NPN se puede adaptar a PNP. El
nombre de estos hace referencia a su construcción como semiconductor.
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1. FUNCIONAMIENTO BÁSICO BJT
Cuando el interruptor SW1 está abierto no circula intensidad por
la Base del transistor por lo que la lámpara no se encenderá, ya
que, toda la tensión se encuentra entre Colector y Emisor. (Figura
1).
Cuando se cierra el interruptor SW1, una intensidad muy pequeña
circulará por la Base. Así el transistor disminuirá su resistencia
entre Colector y Emisor por lo que pasará una intensidad muy
grande, haciendo que se encienda la lámpara. (Figura 2).
En general: IE < IC < IB ; IE = IB + IC ; VCE = VCB + VBE
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2. POLARIZACIÓN DE UN TRANSISTOR BJT
Una polarización correcta permite el funcionamiento de este componente. No es lo mismo
polarizar un transistor NPN que PNP.
Generalmente podemos decir que la unión base - emisor se polariza directamente y la
unión base - colector inversamente.
3. ZONAS DE TRABAJO
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3.1.
CORTE: No circula intensidad por la Base, por lo que, la intensidad de Colector
y Emisor también es nula. La tensión entre Colector y Emisor es la de la batería.
El transistor, entre Colector y Emisor se comporta como un interruptor abierto.
IB = IC = IE = 0; VCE = Vbat
El transistor opera en corte cuando ambas
uniones BE y BC trabajan en inversa (VBE <0
0,7V y VBC < 0,7V.
En esta situación los dos diodos D1 y D2 impiden el paso y se comportan como
circuitos abiertos.
Diremos que el transistor se encuentra en la zona de corte, cuando IB = 0, lo
que provocara que la corriente IC sea tan pequeña que la podemos despreciar.
Se dice entonces, que el transistor se comporta como un interruptor abierto.
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3.2.
SATURACIÓN: Cuando por la Base circula una intensidad, se aprecia un
incremento de la corriente de colector considerable. En este caso el transistor
entre Colector y Emisor se comporta como un interruptor cerrado. De esta
forma, se puede decir que la tensión de la batería se encuentra en la carga
conectada en el Colector.
En esta zona, el transistor es utilizado para
aplicaciones de conmutación, El transistor
opera en Saturación cuando ambas uniones
BE y BC trabajan en directa ( VBE ≥ 0,7 V y VBC
≥ 0,7V ).
En esta situación los dos diodos D1 y D2 dan paso a costa de consumir cada
uno 0,7 V (VT = 0,7 V).
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3.3.
ACTIVA: Actúa como amplificador. Puede dejar pasar más o menos corriente.
Cuando trabaja en la zona de corte y la de saturación se dice que trabaja en
conmutación. En definitiva, como si fuera un interruptor. La ganancia de
corriente es un parámetro también importante para los transistores ya que
relaciona la variación que sufre la corriente de colector para una variación de la
corriente de base. Los fabricantes suelen especificarlo en sus hojas de
características, también aparece con la denominación hFE. Se expresa de la
siguiente manera:
ß = IC / IB
El transistor solo amplifica en esta zona, y se comporta como una fuente de
corriente constante controlada por la intensidad de base (ganancia de
corriente).
La operación en ZAD se produce cuando la
unión BE se polariza en directa (VBE ≥ 0,7 V) y la
BC en inversa (VBC < 0,7V).
En esta situación, al estar en inversa el diodo D2, se establece circuito abierto
entre base y colector. El diodo D1 permitirá el paso de la corriente de base, a
costa del consumo estándar de 0,7 V ( VT = 0,7V).
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4. APLICACIONES
Los transistores tienen multitud de aplicaciones, entre las que se encuentran:
Amplificación de todo tipo (radio, televisión, instrumentación)
Generación de señal (osciladores, generadores de ondas, emisión de radiofrecuencia)
Conmutación, actuando de interruptores (control de relés, fuentes de alimentación
conmutadas, control de lámparas, modulación por anchura de impulsos PWM)
Detección de radiación luminosa (fototransistores)
Los transistores de unión (uno de los tipos más básicos) tienen 3 terminales llamados
Base,
Colector y Emisor, que dependiendo del encapsulado que tenga el transistor pueden estar
distribuidos de varias formas.
Por otro lado, los Transistores de Efecto de Campo (FET) tienen también 3 terminales, que
son Puerta (Gate), Drenador (Drain) y Sumidero (Sink), que igualmente dependiendo del
encapsulado que tenga el transistor pueden estar distribuidos de varias formas.
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5. TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO (FET)
Son dispositivos de tres terminales controlados por voltaje, se encuentran constituidos
por un material de base tipo N o P llamado sustrato, dentro del cual se forma una región
de tipo opuesto en forma de U llamada canal, ligeramente dopada. El sustrato actua como
compuerta o gate (G), uno de los extremos del canal como fuente o source (S) y el otro
como drenador o drain (D). Entre la compuerta y el canal se forma una unión PN, este tipo
de FET se denominan FETs de unión o JFETs.
Con el mismo principio de funcionamiento existe una amplia variedad de transistores por
efecto campo. Los más abundantes, dado su amplio uso, son los MOS (Metal Oxido
Semiconductor). Como los anteriores, también pueden ser de dos tipos: de canal N y de
canal P.
En la mayoría de los casos, el diseño del canal es simétrico, por lo que cualquiera de los
extremos se puede utilizar como drenador o como fuente, sin embargo existen casos
especiales en los cuales el canal es asimétrico y por consiguiente no se pueden
intercambiar estos terminales. Los JFETs pueden ser de canal N o canal P, dependiendo del
dopado del canal.
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Polarización:
Los JFETs necesitan ser polarizados mediante dos tensiones externas. La tensión Vdd
dirige el paso de los portadores de corriente por el canal y la tensión Vgs regula su
cantidad. Esta última polariza inversamente la unión NP entre el canal y el sustrato. En un
JFET de canal N, la fuente debe ser positiva con respecto a la compuerta y negativa con
respecto al drenador.
6. Tiristores (SCR)
Un tiristor es uno de los tipos más importantes de los dispositivos semiconductores de
potencia. Los tiristores se utilizan en forma extensa en los circuitos electrónicos de
potencia. Se operan como conmutadores biestables, pasando de un estado no conductor
a un estado conductor.
Para muchas aplicaciones se puede suponer que los Tiristores son interruptores o
conmutadores ideales, aunque los tiristores prácticos exhiben ciertas características y
limitaciones.
El tiristor (SCR) es un dispositivo semiconductor biestable de cuatro capas, PNPN, con tres
terminales: ánodo (A), cátodo (K) y puerta (G), (Fig. 1.2). Puede conmutar de bloqueo a
conducción, o viceversa, en un solo cuadrante.
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7. Simbología de Transistores
Existen varios tipos que dependen de su proceso de construcción y de las aplicaciones a
las que se destinan. Aquí abajo mostramos una tabla con los tipos de uso más frecuente y
su simbología:
Transistor Bipolar de Unión (BJT)
Transistor de Efecto de Campo, de Unión
(JFET)
Transistor de Efecto de Campo, de MetalÓxido-Semiconductor (MOSFET)
Fototransistor
Nota: En un esquema electrónico, los transistores se representan mediante su símbolo, el
número de transistor (Q1, Q2, ...) y el tipo de transistor, tal como se muestra aquí:
Aquí podemos ver una selección de los transistores más típicos, mostrando su
encapsulado y distribución de patillas.
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8. Encapsulado de transistores
Ahora vamos a ver los transistores por fuera. Están encapsulados de
diferentes formas y tamaños, dependiendo de la función que vayan
a desempeñar. Hay varios encapsulados estándar y cada
encapsulado tiene una asignación de terminales que puede
consultarse en un catálogo general de transistores.
Independientemente de la cápsula que tengan, todos los
transistores tienen impreso sobre su cuerpo sus datos, es decir, la
referencia que indica el modelo de transistor. Por ejemplo, en los
transistores mostrados a la derecha se observa la referencia "MC
140".
Cápsula TO-3.
Se utiliza para transistores de gran potencia, que
siempre suelen llevar un radiador de aluminio que
ayuda a disipar la potencia que se genera en él.
Arriba a la izquierda vemos su distribución de
terminales, observando que el colector es el chasis
del transistor. Nótese que los otros terminales no
están a la misma distancia de los dos agujeros.
A la derecha vemos la forma de colocarlo sobre un
radiador, con sus tornillos y la mica aislante. La
función de la mica es la de aislante eléctrico y a la
vez conductor térmico. De esta forma, el colector
del transistor no está en contacto eléctrico con el
radiador.
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Cápsula TO-220.
Se utiliza para transistores de menos
potencia, para reguladores de tensión en
fuentes de alimentación y para tiristores y
triacs
de
baja
potencia.
Generalmente necesitan un radiador de
aluminio, aunque a veces no es necesario,
si la potencia que van a disipar es reducida.
Abajo vemos la forma de colocarle el
radiador y el tornillo de sujección. Se suele
colocar una mica aislante entre el transistor
y el radiador, así como un separador de
plástico para el tornillo, ya que la parte
metálica está conectada al terminal central
y a veces no interesa que entre en contacto
eléctrico con el radiador.
Cápsula TO-126.
Se utiliza en transistores de potencia
reducida, a los que no resulta generalmente
necesario
colocarles
radiador.
Arriba a la izquierda vemos la asignación de
terminales de un transistor BJT y de un
Tiristor.
Abajo vemos dos transistores que tienen esta
cápsula colocados sobre pequeños radiadores
de aluminio y fijados con su tornillo
correspondiente.
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Cápsula TO-92.
Es muy utilizada en transistores de pequeña
señal.
En el centro vemos la asignación de
terminales en algunos modelos de
transistores,
vistos
desde
abajo.
Abajo vemos dos transistores de este tipo
montados sobre una placa de circuito
impreso. Nótese la indicación "TR5" de la
serigrafía, que indica que en ese lugar va
montado el transistor número 5 del circuito,
de acuerdo al esquema electrónico.
Cápsula TO-18.
Se utiliza en transistores de pequeña señal. Su
cuerpo está formado por una carcasa metálica
que tiene un saliente que indica el terminal del
Emisor.
Cápsula miniatura.
Se utiliza en transistores de pequeña señal. Al
igual que el anterior, tienen un tamaño
bastante pequeño.
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9. Optoacopladores
Son conocidos como optoaisladores o dispositivos de acoplamiento óptico, basan su
funcionamiento en el empleo de un haz de radiación luminosa para pasar señales de un
circuito a otro sin conexión eléctrica. Estos son muy útiles cuando se utilizan por ejemplo,
Microcontroladores PICs y/o PICAXE si queremos proteger nuestro microcontrolador este
dispositivo es una buena opción. En general pueden sustituir los relés ya que tienen una
velocidad de conmutación mayor, así como, la ausencia de rebotes.
La gran ventaja de un optoacoplador reside en el aislamiento
eléctrico que puede establecerse entre los circuitos de entrada y
salida. Fundamentalmente este dispositivo está formado por una
fuente emisora de luz, y un fotosensor de silicio, que se adapta a la
sensibilidad espectral del emisor luminoso, todos estos elementos
se encuentran dentro de un encapsulado que por lo general es del
tipo DIP.
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9.1. TIPOS DE OPTOACOPLADORES
Existen varios tipos de optoacopladores cuya diferencia entre sí depende de los
dispositivos de salida que se inserten en el componente. Según esto tenemos los
siguientes tipos:
Fototransistor: se compone de un optoacoplador con una etapa de salida formada por un
transistor BJT. Los más comunes son el 4N25 y 4N35
Fototriac: se compone de un optoacoplador con una etapa de salida
formada por un triac.
Fototriac de paso por cero: Optoacoplador en cuya etapa de salida se
encuentra un triac de cruce por cero. El circuito interno de cruce por
cero conmuta al triac sólo en los cruce por cero de la corriente alterna.
Por ejemplo el MOC3041
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Optotiristor: Diseñado para aplicaciones donde sea preciso un aislamiento
entre una señal lógica y la red.