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 DEL TRANSISTOR
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.
El transistor es un dispositivo de estado sólido o semiconductor que tiene tres terminales, electrodos o conexiones, (a diferencia del diodo, que tiene dos terminales), el cual tiene la propiedad de controlar la corriente eléctrica que circula a través de él, a partir de una corriente eléctrica muy pequeña. Los tres terminales principales son: emisor, colector y base El germanio y el silicio son los materiales más frecuentemente utilizados para la fabricación de los transistores. A diferencia de las válvulas, el transistor es un dispositivo controlado por corriente y del que se obtiene corriente amplificada. En el diseño de circuitos a los transistores se les considera un elemento activo, a diferencia de los resistores, capacitores e inductores que son elementos pasivos. El transistor consiste en 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). FUNCIONES DEL TRANSISTOR Los transistores cumplen las funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. CONTROLAR
CONMUTAR
(Interruptor electrónico)
REGULAR
AMPLIFICAR (modular, tenue, brillante)
Existen dos grandes familias principales de transistores:
TRANSISTORES TRANSISTORES BIPOLARES BIPOLARES BJT BJT
TRANSISTORES TRANSISTORES UNIPOLARES UNIPOLARES UJT UJT TRANSISTORES DE EFECTO CAMPO FETﾂｴS
Transistores NPN Transistores PNP
Transistores JFET (FET de Uniﾃｳn) Transistores MOSFET (FET de ﾃ度ido Metﾃ｡lico)
Canal N Canal P Mosfet N Mosfet P
El transistor bipolar está constituido por un sustrato (usualmente silicio) y tres partes dopadas artificialmente que forman dos uniones bipolares, el emisor que emite portadores, el colector que los recibe o recolecta y la tercera, que está intercalada entre las dos primeras, modula el paso de dichos portadores (base). Existen dos (2) tipos de transistores bipolares, los denominados NPN y PNP, (el emisor siempre tiene la flecha). El emisor en un transistor NPN es la zona semiconductora más fuertemente dopada con donadores de electrones, siendo su ancho intermedio entre el de la base y el colector. Su función es la de emitir electrones a la base. La base es la zona más estrecha y se encuentra débilmente dopada con aceptores de electrones. El colector es la zona más ancha, y se encuentra dopado con donadores de electrones en cantidad intermedia entre el emisor y la base.
EMISOR, que emite los portadores de corriente,(huecos o electrones). Su labor es la equivalente al CATODO en los tubos de vacío o "válvulas" electrónicas. BASE, que controla el flujo de los portadores de corriente. Su labor es la equivalente a la REJILLA cátodo en los tubos de vacío o "válvulas" electrónicas. COLECTOR, que capta los portadores de corriente emitidos por el emisor. Su labor es la equivalente a la PLACA en los tubos de vacío o "válvulas" electrónicas.
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.
Según la fórmula anterior las corrientes no dependen del voltaje que alimenta el circuito (Vcc), pero en la realidad si lo hace y la corriente Ib cambia ligeramente cuando se cambia Vcc.
En el segundo gráfico las corrientes de base (Ib) son ejemplos para poder entender que a más corriente la curva es mas alta
El transistor posee tres (3) zonas de funcionamiento: ZONA DE SATURACIÓN: El diodo colector está polarizado directamente y es transistor se comporta como una pequeña resistencia. 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. Para trabajar en esta zona el diodo B-E ha de estar polarizado en directa, mientras que el diodo B-C, ha de estar polarizado en inversa. 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.
Región de Corte: Un transistor esta en corte cuando: Corriente de colector = corriente de emisor = 0, (Ic = Ie = 0) En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es el voltaje de alimentación del circuito. (Como no hay corriente circulando, no hay caída de voltaje, Ley de Ohm). Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base = 0 (Ib =0) Región de Saturación: Un transistor está saturado cuando: Corriente de colector = corriente de emisor = corriente máxima, (Ic = Ie = I máx). En este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentación del circuito y de las resistencias conectadas en el colector o el emisor o en ambos, ver ley de Ohm. Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de base es lo suficientemente grande como para inducir una corriente de colector β veces más grande. (Recordar que Ic = β * Ib) Región Activa: Cuando un transistor no está ni en su región de saturación ni en la región de corte entonces está en una región intermedia, la región activa. En esta región la corriente de colector (Ic) depende principalmente de la corriente de base (Ib), de β (ganancia de corriente de un amplificador, es un dato del fabricante) y de las resistencias que hayan conectadas en el colector y emisor). Esta región es la mas importante si lo que se desea es utilizar el transistor como un amplificador.
El emisor emite, el colector recoge y la base recombina. El sentido de las corrientes es el contrario al de los electrones.
NPN: Para que pueda circular una corriente de colector Ic, el voltaje aplicado al colector debe ser positivo con respecto al emisor. PNP: Para que pueda circular una corriente de colector Ic, el voltaje aplicado al colector debe ser negativo con respecto al emisor. Si se quiere que el transistor funcione es necesario que se cumpla las siguientes condiciones: el diodo ubicado entre la base y el emisor o más comúnmente llamado, la unión base – emisor debe tener polarización directa, es decir, base positivo y emisor negativo, en cambio que la unión base – colector debe tener polarización inversa, es decir, base negativo y colector positivo. En la unión base emisor los electrones del emisor penetran en la base, sin embargo dado que hay pocos huecos, la mayoría queda flotando entre el emisor y la base. Mientras mayor sea la corriente de base mayor será la cantidad de electrones flotantes entre ambas regiones. Por otro lado la unión base – colector con polarización inversa empuja a los electrones y a los huecos mayoritarios hacia los extremos, y ya que existen pocos portadores minoritarios no hay corriente. Al combinar los dos a la vez, resulta que los electrones flotantes del emisor actúan como portadores minoritarios de la base, por lo que son atraídos hacia el colector y producen una corriente muy alta en comparación con la corriente de la base.
Transistor NPN
Transistor PNP
Transistor JFET Canal N
Transistor JFET Canal P
puerta (gate); sumidero o drenador (drain) y fuente (source).
Un transistor de efecto campo (Field-Effect Transistor - FET) típico está formado por una barrita de material P ó 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 (ggate) en el collar. Características: 1. Tiene una resistencia de entrada extremadamente alta (casi 100M). 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. TIPOS DE FET’S El JFET (Junction Field-Effect Transistor) usa una unión p-n El MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) usa un aislante (normalmente SiO2). El MESFET (Metal-Semiconductor Field Effect Transistor) usa una barrera Schottky En el HEMT (High Electron Mobility Transistor), también denominado HFET (heterostructure FET), la banda de material dopada con "vacíos" forma el aislante.
Entre la compuerta G y Fuente S se conforma un diodo PN para el canal N y un diodo NP para el canal P.
TRANSISTOR MOSFET Las prestaciones del transistor MOSFET son similares a las del JFET, aunque su principio de operaci贸n y su estructura interna son diferentes. Existen cuatro tipos de transistores MOS: Enriquecimiento de canal N Enriquecimiento de canal P Empobrecimiento de canal N Empobrecimiento de canal P
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. Observe que el colector es el chasis del transistor. Nótese que los otros terminales no están a la misma distancia de los dos agujeros. Se ve 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.
TO-3
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. 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.
TO-126. Se utiliza en transistores de potencia reducida, a los que no resulta generalmente necesario colocarles radiador. TO-92. Es muy utilizada en transistores de pequeña señal.
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. Encapsulado miniatura. Se utiliza en transistores de pequeña señal. Al igual que el anterior, tienen un tamaño bastante pequeño.
CÓDIGOS DE TRANSISTORES Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC). Japanese Industrial Standard (JIS). Pro-electron. JEDEC Estos toman la forma: dígito, letra, número de serie, [sufijo] - El primer dígito es siempre una unidad menor que el número de patillas, (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, 2N2221A, 2N904.
JIS Toman la forma: dígito, dos letras, número de serie, [sufijo] Nuevamente, el dígito es una unidad menor que el número de patillas. 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/MOSFETSM: Triac SQ: LEDSR: 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 varia entre 100 y 9999. El sufijo indica la ganancia genérica en grupo, como en los JEDEC. Ejemplos: BC108A, BAW68, BF239, BFY51.
Para probar transistores hay que analizar un circuito equivalente de este, en el que se puede utilizar lo aprendido al probar diodos. Un transistor bipolar equivale a dos diodos en oposición (tiene dos uniones), por lo tanto las medidas deben realizarse sobre cada una de ellas por separado, pensando que el electrodo base es común a ambas direcciones.
Se puede ver que los circuitos equivalentes de los transistores bipolares NPN y PNP están compuestos por diodos y se puede seguir la misma técnica que se sigue al probar diodos comunes. La prueba se realiza entre el terminal de la base (B) y el terminal E y C. Los métodos a seguir en el transistor NPN y PNP son opuestos
Se empleará un multímetro analógico y las medidas se efectuarán colocando el instrumento en las escalas de resistencia y preferiblemente en las escalas ohm x 1, ohm x 10 ó también ohm x 100. Antes de aplicar las puntas al transistor es conveniente cerciorarse del tipo de éste, ya que si es NPN se procederá de forma contraria que si se trata de un PNP. Para el primer caso (NPN) se situará la punta roja (positivo) del multímetro sobre el terminal de la base y se aplicará la punta negra sobre las pines correspondientes al emisor y colector. Con esto se habrá aplicado entre la base y el emisor o colector, una polarización directa, lo que traerá como consecuencia la entrada en conducción de ambas uniones, moviéndose la aguja del multímetro hasta indicar un cierto valor de resistencia, generalmente baja (algunos ohm) y que depende de muchos factores
A continuación se invertirá la posición de las puntas del instrumento, colocando la punta negra (negativa) sobre la base y la punta roja sobre el emisor y después sobre el colector. De esta manera el transistor recibirá una tensión inversa sobre sus uniones con lo que circulará por él una corriente muy débil, traduciéndose en un pequeño o incluso nulo movimiento de la aguja. Si se tratara de un transistor PNP el método a seguir es justamente el opuesto al descrito, ya que las polaridades directas e inversas de las uniones son las contrarias a las del tipo NPN.
Las comprobaciones anteriores se completan con una medida, situando el multímetro entre los terminales de emisor y colector en las dos posibles combinaciones que puede existir; la indicación del instrumento será muy similar a la que se obtuvo en el caso de aplicar polarización inversa (alta resistencia), debido a que al dejar la base sin conexión el transistor estará bloqueado. Esta comprobación no debe olvidarse, ya que se puede detectar un cortocircuito entre emisor y colector y en muchas ocasiones no se descubre con las medidas anteriores.
TO-39
El emisor emite, el colector recoge y la base recombina. El sentido de las corrientes es el contrario al de los electrones.
FUNCIONAMIENTO DE UN TRANSISTOR BIPOLAR 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. PNP: Para que pueda circular una corriente de colector Ic, el voltaje aplicado al colector debe ser negativo con respecto al emisor.
330
330
+
+ NPN
1k
El cable libre que quedó en la resistencia de 1 KΩ conectarlo al terminal positivo de la bateria. El Led enciende
PNP
1k
El cable libre que quedó en la resistencia de 1 KΩ conectarlo al terminal negativo de la bateria. El Led enciende
mA
330 + LED1
R3 1k
LED2 mA
NPN
Una peque単a corriente de base puede controlar una corriente de colector mucho mayor.
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.
FOTODIODO
FOTOTRANSISTOR
Transistor de baja potencia muy común el BC107. Este transistor tiene una β mínima de 100
Emisor
Colector
Base