Transistores.

En la lección anterior has estudiado los semiconductores, la barrera de potencial, la polarización directa e inversa, etc. Con esos conocimientos, podrás adentrarte en la base de estudio de los transistores y sus aplicaciones. No tengas prisa por aprender, ya que este es un elemento muy importante en electrónica y deben quedar claros varios conceptos que se describan. Al final del tema realizaremos una práctica en la cual construiremos un regulador de tensión transistorizado; primera parte de un conjunto de prácticas destinadas a crear un banco de pruebas electrónico para nuestras prácticas personales.

Transistores.

Un transistor es un componente activo que tiene tres terminales o patillas de conexión, donde dos de ellos corresponden a la entrada y dos a la salida. Por lo tanto, según esto, hay un terminal que es común a la entrada y a la salida. Se le dice activo porque es capaz de amplificar una pequeña señal variable que se aplique a su entrada, obteniendo en su salida esa misma señal modificada en amplitud.

En la figura siguiente se muestra un transistor representado en forma de rectángulo. Este rectángulo está dividido en tres partes, que son trozos de semiconductor de tipo P, otro de tipo N y otro de tipo P. También puede ser del tipo N, tipo P y tipo N.

transistor básico

Con la reunión de las 3 partes, se forman 2 uniones, la 1-2, y a 2-3, y precisamente en las características que estas uniones ofrecen está el secreto del transistor. En las figuras que viene a continuación puedes ver el funcionamiento del transistor.

El transistor polarizado sin alimentar

En los transistores puedes ver que se les agregado 2 baterías Veb y Vcb junto con 2 interruptores Le y Lc.

funcionamiento del transistor como diodo

Cuando se cierra el interruptor Le, la unión 1-2 queda polarizado directamente con la batería Veb, ya que el semiconductor tipo P está conectado al terminal positivo Veb (tensión emisor-base). Se produce una corriente hacia el terminal 2, atraída por el terminal negativo de Veb (b).

funcionamiento del transistor como diodo

Cuando se cierra Lc y Le permanece abierto el cristal N-P queda polarizado inversamente con la batería Vcb (tensión colector - base), por lo que se produce la pequeñísima circulación de cargas de sentido inverso (corriente de fuga), tal y como vimos en la lección anterior (C).

funcionamiento del transistor

Si se cierran los interruptores Le y Lc simultáneamente (D), se polarizan las 2 uniones, la primera 1-2, en sentido directo y la segunda, en sentido inverso. Pero aquí ocurre algo especial.

La tensión Vcb es superior a la tensión Veb por lo que la mayor parte de los electrones que fluyen desde el cristal P al cristal N, no serán absorbidos por el cristal N ó la batería Veb, sino que serán atraídos por la mayor diferencia de potencial de la fuente Vcb por lo que se dirigirían a través del cristal 3 hacia el negativo de la fuente Vcb, atravesando la unión 2-3 sin ningún problema de resistencia.

Esta misma corriente tiene el mismo sentido que la débil corriente de fuga que se producía en la figura C; por tanto se suma a esta corriente de fuga la gran cantidad de corriente. En la práctica, no se considera que la corriente que sale del emisor acabe toda en el colector, sino que una pequeña corriente directa es atrapada por la base, pero esta corriente es pequeña en comparación con la otra corriente, por lo que, de momento, la despreciaremos para el estudio. Se calcula que de un 92% a un 98% de los electrones procedentes del cristal 1, llegan al cristal 3, y que el resto es absorbido por la base.

Electrodos. PNP y NPN.

Los distintos electrodos del transistor cumplen una función bien específica en el funcionamiento de los mismos. Así el semiconductor el cristal tercero recolecta la pequeña corriente de fuga y la que roba del cristal segundo procedente del cristal primero. Por lo que se le da el nombre de Colector. El cristal primero, entrega o reparte la corriente que se divide hacia los cristales segundo y tercero, entonces se le conoce como Emisor. El segundo cristal, sirve como base para vincular a los otros 2 cristales, por lo que se conoce como Base.

Ahora puedes comprender la nomenclatura que se utiliza para designar las fuentes de alimentación Veb y Vcb (tensión emisor-base y tensión colectorbase).

Los transistores reciben el nombre de acuerdo a la polarización que tiene el semiconductor que integra el emisor, la base y el colector. En el dibujo anterior el transistor es un P-N-P porque el emisor es del tipo P, la base del tipo N y el colector del tipo P.

transistor básico

Pero podría ser que el emisor fuese del tipo N, la base del tipo P y el colector del tipo N, siendo el transistor del tipo N-P-N.

Las 2 clases de transistores tienen un símbolo muy parecido, la única diferencia es que la flecha que designa al emisor, tiene una posición de salida cuando es NPN y de entrada cuando es PNP.

simbolo del transistor

En el tipo PNP, la flecha del emisor, tiene sentido de desplazamiento de las cargas de huecos (cargas positivas); la raya vertical representa la base, y el otro terminal sin flecha, el colector.

NOTA: Tengo que comentar, que hasta ahora he descrito el funcionamiento en sentido convencional, recuerda que el sentido convencional es aquel que la corriente se desplaza de positivo a negativo, aunque realmente es al contrario. RECUÉRDALO.

Ganancia de corriente

Por simple deducción has visto que la corriente que sale del emisor vuelve por el colector, y que una pequeña parte sale por la base. Por tanto se puede decir que:

la intensidad de emisor es la suma de las intensidades de base y la de colector

Puesto que el valor de la corriente a través de la unión 2-3 (Ic) depende de la corriente que se establece en la unión 1-2 (Ie), podemos definir una relación entre ellas. Esta relación se la conoce como Coeficiente de ganancia estática de corriente, y se representa por la letra griega α.

La corriente de emisor es la suma de las corrientes de base (Ib), y la corriente de colector (Ic), y sabemos que la corriente por la unión 2-3 es menor que la que se establece por la unión 1-2, por tanto sabemos que el coeficiente de ganancia de corriente estática es menor que 1:

la intensidad de emisor es la suma de las intensidades de base y la de colector

Su valor está comprendido entre 0,98 y 0,99.

El transistor como amplificador

Antes de empezar con este tema conviene repasar la diferencia entre corriente y tensión.

Es importante tener claro que la tensión que se aplica a 2 puntos está en esos 2 puntos. Una tensión puede tener una tensión determinada con respecto a un punto, y otra diferente con respecto a otro punto.

La corriente circula por cada punto del circuito. Estos conceptos están relacionados estrechamente; si aplicamos una diferencia de tensión, entre 2 puntos de un circuito, va a circular una corriente proporcional a su resistencia, por lo que cuanto más baja sea la resistencia, mayor será la intensidad (Repasa Ohm).

La amplificación puede ser de tensión, de corriente o de ambas a la vez. en cualquier caso se amplifica la potencia, ya que la potencia disipada en un circuito es el producto de la tensión aplicada por la intensidad que circula por dicho tramo.

En los transistores es muy normal que se amplifique la corriente. En el transistor, la corriente Ic = Ie * Ib, se puede modificar variando la polarización emisor - base.

NOTA: A partir de ahora hablaremos de la los cristales semiconductores de la siguiente forma: al semiconductor emisor - base, le llamaremos diodo emisor y al semiconductor base-colector, diodo colector. En la figura siguiente se muestra un transistor en el cual la entrada al circuito está dada entre el emisor y la base, y la salida entre la base y el colector.

transistor como amplificador

En la figura se observa la entrada y la salida, y abajo se observa el circuito en sí con sus valores y sus formulas. La explicación es la siguiente:

La unión emisor y base ofrece muy poca resistencia al paso de la corriente (polarización directa). Pero esa resistencia va a aumentar o disminuir de acuerdo al potencial negativo que tenga el emisor respecto a la base. Desplazando el cursor del potenciómetro, desde el terminal positivo hasta el negativo, la corriente Ie, va a aumentar, al reducirse la resistencia entre el emisor y la base. Y como, Ic = Ie * α, también va a aumentar. Si el desplazamiento del cursor fuera contrario (de negativo a positivo), la corriente Ie disminuye, y la Ic también. De todo esto deducimos que modificando el potencial emisor - base, controlamos la intensidad de colector.

También el potencial base - colector influye en el valor de la corriente Ic. Si dicho potencial aumenta, la corriente Ie aumenta, ya que el campo eléctrico del colector robará más electrones de la corriente Ie.

Veamos todo con un ejercicio.

Para el ejercicio nos fijaremos en el anterior circuito. Debido a la polarización directa del diodo emisor, la resistencia del mismo es de unos 300Ω (valores aproximados de polarización), por lo que las pequeñas variaciones de la tensión base - emisor producen aumentos notables en Ie. La resistencia del diodo colector (unión base - colector) es alta por la polarización inversa (unos 100.000Ω). Le intercalamos una resistencia Rc, de carga de 5000Ω. Desplazando el cursor Pot, hasta que la tensión Eeb sea de 0,7 voltios (momento en el cual el diodo emisor empieza a conducir), según el fabricante, este transistor tiene una corriente de emisor de 1,5 miliamperios. Si el coeficiente de ganancia estática es de 0,95 calculamos la Ic como:

la intensidad de emisor es la suma de las intensidades de base y la de colector

0,0015A = Ic x 0,95 = 0,001425A.
La corriente de base es de:
Ie= Ib+Ic => Ib = Ie - Ic
Ib = 0,0015A - 0,001425A => Ib = 0,075A.

En la resistencia de carga se producirá una caída de tensión de:

caida de tensión en resistencia de colector

5000Ω x 0,001425A = 7,12 voltios.

Si ahora variamos el cursor Pot, para que el potencial del diodo emisor sea de 0,707V, los valores cambian a:

Ic = 2,185mA
Ib = 0,115mA
VRC = 10,92V

De todo esto hemos deducido que:

Con una pequeña variación de tensión en el diodo emisor, en la carga se obtiene una gran variación de tensión, la ganancia de tensión es de:

Vc ÷ Vbe= 3,8 ÷ 0,007 = 542.

Con una pequeña variación de corriente del diodo emisor, obtenemos una gran variación en el diodo colector, por tanto la ganancia de corriente es de:

Ic ÷ Ib = 0,760 ÷ 0,04 = 19.

Has podido comprobar el funcionamiento del transistor. Cualquier variación por pequeña que sea en el diodo emisor, produce una mayor variación en el diodo colector, efecto que se puede considerar como amplificar una magnitud.

Autopolarización del transistor

Hasta ahora has podido ver que para polarizar las 2 uniones de los diodos emisor y colector se usaban 2 pilas o fuentes de tensión. Eso en la práctica no es nada rentable, por lo que se recurre a redes de autoalimentación. Esas redes son perfectamente un divisor de tensión.

red de polarización

En la figura puedes ver un divisor de tensión formado por 2 resistencias R1 y R2. Si aplicamos una tensión a las resistencias, tal como se muestra en la imagen, se va a desarrollar una corriente por el interior de cada resistencia, lo que desarrollará una caída de tensión en función de los valores de las resistencias; así como en equivalencias, V1 es la tensión del diodo colector y V2 es la tensión del diodo emisor, se necesita que la tensión del diodo emisor sea menor que la del diodo colector, por lo que en R1 deberá de caer mas tensión que en R2.

Imagina que el valor de R1 es de 900Ω, y que el valor de R2 es de 100Ω. Si aplicamos una tensión de 10 Voltios, va a circular por el circuito formado por R1 - R2, una corriente de 10mA. Esa corriente al pasar por R2, produce una caída de tensión de 1 voltio; sin embargo al pasar por R1, produce una caída de tensión de 9 voltios. Ahora bien, como las resistencia de polarización están en paralelo con los diodos emisor y colector (Vbe y Vcb), la tensión que cae en la resistencia es la tensión aplicada al diodo correspondiente. en la siguiente figura te muestro como está diseñado un circuito con auto polarización del transistor.

se puede sustituir un divisor de tensión en el circuito

Este circuito de auto polarización de base, en la práctica no da buenos resultados, ya que cualquier variación de temperatura ocasiona el aumento o disminución de las corrientes normales del transistor en reposo, las cargas minoritarias. Este aumento o disminución se llama deriva térmica, y es producida por el calor, ya que el calor afecta a los componentes físicos resistivos. Como puedes imaginar necesitamos que la tensión de emisor sea lo más estable posible en ciertos casos, con lo cual, veremos cómo estabilizar está tensión.

Estabilización de la autopolarización

El problema planteado anteriormente se resuelve modificando el circuito de auto polarización de base.

corrección de la autopolarización

En el esquema se ve como se conecta R1 directamente al colector, en lugar de a la fuente de alimentación VCC. Con este circuito, cualquier aumento indebido de la corriente por efecto del calor, dará lugar a una mayor caída de tensión en Rc, disminuyendo la tensión del colector, por lo que la tensión de base tenderá a disminuir, haciendo que baje la corriente de base. En consecuencia, se produce una disminución de la corriente de colector desapareciendo el problema que aparecía por el aumento de temperatura. Hay que decir que no se suele usar esta configuración y que se utiliza otro método más eficaz para combatir el aumento de temperatura.

Autopolarización con resistencia de emisor.

Este circuito incorpora una nueva resistencia Re en el emisor que desarrolla una diferencia de potencial entre sus extremos debido a la corriente de emisor. Debido a esta nueva tensión Ve, tendremos que modificar el divisor formado por R1 y R2 para que obtengamos una mayor Vb y conseguir que la Vbe sea constante.

Autopolarización con resistencia de emisor

Imagina, por ejemplo que la tensión Vbe es de 0,7 voltios, y en la Ve, aparecen 0,5 voltios. Para que el transistor esté bien polarizado, habrá que aumentar la tensión del diodo emisor en 0,5 voltios para que siga existiendo una diferencia de 0,7 voltios entre la base y el emisor. Esto se consigue modificando de nuevo el valor del divisor de tensión R1 y R2. El sistema será eficaz si se consigue que el valor óhmico de R2 asegure una estabilización de la tensión de diodo emisor (recuerda que la tensión del diodo emisor es la de la polarización de base - emisor), al producir una diferencia de potencial que alimente al diodo emisor y a la Re para obtener Ve. La corriente de colector debe ser mayor que la de base, por lo que la corriente que pasa por R2, se hace que sea una quinta parte de la corriente de colector, y la caída de tensión en Re, debe ser la quinta parte de la tensión de colector Vc. Si por cualquier circunstancia anómala, aumenta la tensión del transistor, aumentaría la tensión Ve, y como la tensión Vb, que es la tensión que cae en R2, se permanece constante, disminuye la tensión en el diodo emisor, por lo que se corrige esta tendencia de aumento de corriente a través del transistor.

Curva característica de los transistores

De acuerdo con los que vas estudiando te vas dando cuenta de que tiene varias formas de trabajar de acuerdo a los valores de tensiones que se aplican a sus electrodos. Estos comportamientos se pueden representar en unos gráficos que reúnen una serie de curvas sobre un sistema de coordenadas, curvas que permiten determinar y establecer el funcionamiento del transistor. En la figura siguiente se te muestra dicho gráfico con dichas curvas:

curvas características de los transistores

En A, se representa la variación que produce la intensidad de colector en función de la intensidad de base. Como verás la variación no es lineal, sino que a mismas variaciones de Ib, no corresponden iguales variaciones de Ic en la curva.

En B, se presenta la variación de Ic en función de la variación de la tensión base-emisor.

La curva D, relaciona la variación de tensión del diodo emisor (Vbe), con la corriente de base.

Las distintas curvas representada en la figura C, es la más importante de todas las curvas. Se la conoce como características del colector y relaciona la corriente de colector con las variaciones de tensión del mismo colector para las distintas corrientes de base. En la figura siguiente se aprecia la llamada curva de máxima disipación, que nos indica que cuando fijemos el punto de funcionamiento del transistor, nunca podremos hacerlo en la zona exterior a la curva, ya que el transistor disiparía más calor del que podría soportar. Como ves, esta máxima potencia disipable (Vce * Ic) se puede dar con mucha tensión Vce (punto A), o mucha Ic y poca Vce (punto D).

Curva que relaciona la corriente y tensión de colector según la intensidad de base

La curva de máxima disipación te da un margen de seguridad para que no se queme el transistor, ya que, como elemento activo, el exceso de corriente eléctrica a su través produce ese efecto térmico. Teniendo la curva de potencia, se puede calcular la potencia que va a disipar el transistor aplicando métodos que más tarde estudiarás.

Recta de carga

Se denomina recta de carga a la línea que debemos trazar en la gráfica de Vce ÷ Ic (Curva de características de colector), y que nos servirá para poder determinar su funcionamiento dinámico, es decir su comportamiento con señal variable, ya que hasta ahora lo hemos estudiado solo en continua (polarización). Esta recta también nos servirá para determinar su punto de trabajo o polarización en continua.

Recta de carga

La recta de carga nos vendrá definida por los puntos Z e Y, que a su vez son determinado por la resistencia de carga Rc y la tensión de colector de la siguiente manera:

Punto Y:
Es la corriente que pasa por el colector (Ic) del transistor cuando este se encuentra a la saturación. La saturación es el estado de máxima conductividad debido a la máxima corriente de base que puede circular por él. En saturación:
Vbe = máx.
Esta magnitud será delimitada por la resistencia de colector Rc. Aplicando la ley de Ohm, nos da que el valor de la corriente de colector en este punto es de:
Ic = Vcc ÷ Rc
1500Ω por ejemplo ) = 10 V ÷ 1500Ω = 6,6 mA.

Punto Z:
Es la tensión colector - emisor (Vce) que se obtiene cuando al no circular ninguna intensidad por la base, el transistor se encuentra al abierto. Este estado es similar a un circuito abierto (Si no se aplica corriente a la base, no se puede polarizar inversamente el diodo colector). De esta manera, cuando la corriente de colector Ic es cero, la tensión en el colector es máxima, ya que no hay ninguna caída de tensión en Rc. Cuando la conducción es máxima (en saturación), la caída de tensión en el transistor es prácticamente nula ya que su resistencia interna tiende a cero, por la Ic será la permitida por Rc.

En siguientes capítulos veremos en detalle los transistores y su forma de calcular su recta de carga para manipular señales alternas. Ahora visita el enlace de la práctica para aprender más sobre los transistores.