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• Skías Del Pozo Martínez

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HISTORIA El transistor bipolar fue inventado en los Laboratorios Bell de EE. UU. en diciembre de 1947 por John Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley, quienes fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1956. Fue el sustituto de la válvula termoiónica de tres electrodos, o triodo. Si bien el transistor de efecto de campo fue descubierto antes que el transistor (1930), pero como no se encontró una aplicación útil ni se disponía de la tecnología

necesaria

para

fabricarlos

masivamente.

Es por ello que al principio se usaron transistores bipolares y luego los denominados transistores de efecto de campo (FET). En los últimos, la corriente entre la fuente (source) y el drenaje (drain) se controla mediante el campo eléctrico establecido en el canal. Por último, apareció el MOSFET (transistor FET de tipo Metal-Óxido-Semiconductor). Los MOSFET permitieron un diseño extremadamente compacto, necesario para los circuitos altamente integrados (IC). Hoy la mayoría de los circuitos se construyen con tecnología CMOS La tecnología CMOS (Complementary MOS ó MOS Complementario) es un diseño con dos diferentes MOSFET (MOSFET de canal n y p), que se complementan mutuamente y

consumen

muy

poca

corriente

en

un

funcionamiento

sin

carga.

Fotografía del primer transistor construído por W. Shockley, J. Bardeen y W. Brattain en diciembre de 1947 (Foto: bellsystemmemorial.com)

TIPOS DE TRANSISTOR Existen varios tipos que dependen de su proceso de construcción y de las apliaciones 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

Metal-Óxido-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. (Para ver la imágen en grande se puede hacer click sobre ella).

EL TRANSISTOR BIPOLAR Fundamento Teórico Un transistor bipolar está formado por dos uniones pn en contraposición. Físicamente, el transistor está constituido por tres regiones semiconductoras denominadas emisor, base y colector. Existen 2 tipos de transistores bipolares, los denominados NPN y PNP:

Transistores Bipolares npn y pnp.

Si el transistor tiene la capa N en el medio es un transitor tipo PNP Si el transistor tiene la capa P en el medio es un transistor tipo NPN

Sus Pines o Patas o Terminales son: E= Emisor B= Base C= Colector

Funcionamiento del transistor El transistor bipolar es un dispositivo de tres terminales gracias al cual es posible controlar un gran potencia a partir de una pequeña. En la figura se puede ver un ejemplo cualitativo del funcionamiento del mismo. Entre los terminales de colector (C) y emisor (E) se aplica la potencia a regular, y en el terminal de base (B) se aplica la señal de control gracias a la que controlamos la potencia. Con pequeñas variaciones de corriente a través del terminal de base, se consiguen grandes variaciones a través de los terminales de colector y emisor. Si se coloca una resistencia se puede convertir esta variación de corriente en variaciones de tensión según sea necesario.

Relación

de

portadores

en

cada

capa

(Transistor

BJT):

Como se puede observar el emisor se encuentra mucho más dopado que el colector,

y

ambos

son

más

dopados

que

la

base.

Esta es la razón por la cual un transistor BJT no opera normalmente si se invierten los

terminales

del

emisor

El

y

el

colector.

transistor

NPN:

Para que el transistor funcione es necesario que se cumpla las siguientes condiciones: -

El

diodo

ubicado

entre

la

base

y

el

emisor.

- Emisor debe tener polarización directa, es decir base positivo y emisor negativo. - 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 ninguna 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 base. Este proceso se explica gráficamente en las siguientes figuras:

Fundamentos físicos del efecto transistor El transistor bipolar basa su funcionamiento en el control de la corriente que circula entre el emisor y el colector del mismo, mediante la corriente de base. En esencia un transistor se puede considerar como un diodo en directa (unión emisorbase) por el que circula una corriente elevada, y un diodo en inversa (unión basecolector), por el que, en principio, no debería circular corriente, pero que actúa como una estructura que recoge gran parte de la corriente que circula por emisorbase. Se dispone de dos diodos, uno polarizado en directa (diodo A) y otro en inversa (diodo B). Mientras que la corriente por A es elevada (IA), la corriente por B es muy pequeña (IB). Si se unen ambos diodos, y se consigue que la zona de unión (lo que llamaremos base del transistor) sea muy estrecha, entonces toda esa corriente que circulaba por

A

(IA),

va

a

quedar

absorbida por el campo existente en el diodo B. De esta forma entre el emisor y el colector circula una gran corriente, mientras que por la base una corriente muy pequeña. El control se produce mediante este terminal de base porque, si se corta

la corriente por la base ya no existe polarización de un diodo en inversa y otro en directa, y por tanto no circula corriente. Corrientes y tensiones Para el análisis de las distintas corrientes que aparecen en un transistor vamos a considerar un transistor de tipo PNP, que polarizamos tal .Este tipo de polarización será el usado cuando el transistor trabaje en región activa, como se verá en los siguientes apartados. La unión emisor-base queda polarizada como una unión en directa, y la unión colector-base como una unión en inversa. 

Entre el emisor y la base aparece una corriente (IEp + IEn) debido a que la unión está en directa



El efecto transistor provoca que la mayor parte de la corriente anterior NO circule por la base, sino que siga hacia el emisor (ICp)



Entre el colector y la base circula una corriente mínima por estar polarizada en inversa (ICn más una parte ínfima de ICp)



Por la base realmente circula una pequeña corriente del emisor, más otra de colector, más la corriente de recombinación de base (IEn+ICn+IBr)

A partir de lo anterior podemos obtener algunas ecuaciones básicas como son las siguientes: IE+IB IC=0 Esta ecuación viene impuesta por la propia estructura del circuito, es decir, el transistor es un nodo con tres entradas o salidas, por tanto la suma de las corrientes que entran o salen al mismo ha de ser cero. Cada una de las corrientes del transistor se puede poner en función de sus componentes de la siguiente forma:

Relaciones más importantes. Parámetros α y β En un transistor bipolar uno de los aspectos más interesantes para su análisis y uso es el conocer las relaciones existentes entre sus tres corrientes (IE, IB e IC). En la ecuación I tenemos una primera relación. Otras relaciones se pueden obtener definiendo una serie de parámetros dependientes de la estructura del propio transistor. Definimos los parámetros α y β (de continua) como la relación existente entre la corriente de colector y la de emisor, o la de emisor y la de base, es decir:

Operando podemos relacionar ambos parámetros de la siguiente forma:

En general el parámetro α será muy próximo a la unidad1 (la corriente de emisor será similar a la de colector) y el parámetro β tendrá un valor elevado (normalmente > 100). A partir de las ecuaciones anteriores se puede obtener una más que es útil cuando se trabaja con pequeñas corrientes de polarización, en las que el efecto de la corriente inversa que circula entre colector y base puede no ser despreciable:

En esta ecuación se ha denominado IC0 a la corriente inversa de saturación de la unión colectorbase, la cual, en general se puede aproximar por I Cn, y corresponde a la corriente que circularía por dicha unión polarizada en inversa si se deja al aire el terminal de emisor. Funcionamiento cualitativo del transistor En función de las tensiones que se apliquen a cada uno de los tres terminales del transistor bipolar podemos conseguir que éste entre en una región u otra de funcionamiento. Por regiones de funcionamiento entendemos valores de corrientes y tensiones en el transistor, que cumplen unas relaciones determinadas dependiendo de la región en la que se encuentre.

Regiones de funcionamiento Corte Cuando el transistor se encuentra en corte no circula corriente por sus terminales. Concretamente, y a efectos de cálculo, decimos que el transistor se encuentra en corte cuando se cumple la condición: IE = 0 ó IE < 0 (Esta última condición indica que la corriente por el emisor lleva sentido

contrario al que llevaría en

funcionamiento normal). Para polarizar el transistor en corte basta con no polarizar en directa la unión base-emisor del mismo, es decir, basta con que VBE=0. Activa La región activa es la normal de funcionamiento del transistor. Existen corrientes en todos sus terminales y se cumple que la unión base-emisor se encuentra polarizada en directa y la colector base en inversa. En general, y a efectos de cálculo, se considera que se verifica lo siguiente:

Donde Vγ es la tensión de conducción de la unión base-emisor (en general 0,6 voltios). Saturación En la región de saturación se verifica que tanto la unión base-emisor como la base-colector se encuentran en directa. Se dejan de cumplir las relaciones de activa, y se verifica sólo lo siguiente:

Donde las tensiones base-emisor y colector-emisor de saturación suelen tener valores determinados (0,8 y 0,2 voltios habitualmente). Es de señalar especialmente que cuando el transistor se encuentra en saturación circula también corriente por sus tres terminales, pero ya no se cumple la relación: IC = β ⋅ IB Curvas características Al ser el transistor bipolar un dispositivo triterminal son necesarios seis parámetros para determinar el estado eléctrico del mismo: tres tensiones y tres corrientes. Aplicando las leyes básicas de resolución de circuitos pueden presentarse dos ecuaciones:

Por ello, los parámetros independientes se reducen a cuatro. En un circuito determinado y bajo la acción de unas excitaciones concretas, existirán unos valores de estos cuatro parámetros que caracterizan por completo el estado del transistor. Dicho cuarteto se denomina punto de operación (Q). Las curvas características más empleadas en la práctica son las que relacionan VBE con IB y VCE con IC e IB. Con frecuencia, estas curvas son facilitadas por los fabricantes. Características VBE-IB Mediante esta curva podemos determinar los efectos que producen las variaciones de la tensión de polarización VBE sobre la corriente de base IB. Estas gráficas reciben el nombre de curvas características de transferencia. Las curvas que se obtienen son muy similares a la de un diodo cuando se polariza directamente. Estas tensiones permanecen prácticamente constantes, por lo que serán de gran ayuda para localizar averías en circuitos con transistores.

La función que liga VBE con IB es la característica de un diodo, y puede aplicarse dado que la unión base - emisor, es una pn normal, igual que la de diodo, y al polarizarla, seguirá el mismo comportamiento que aquel. La curva representada en la figura sigue la expresión:

Características VCE-IC Estas características también son conocidas como familia de colector, ya que son las correspondientes a la tensión e intensidad del colector. En la siguiente figura, se muestran una familia de curvas de colector para diferentes valores constantes de la corriente base.

Idealmente, en la Región Activa, la corriente de colector depende exclusivamente de la de base, a través de la relación IC=β+IB. Por lo tanto, en el plano VCE-IC la representación estará formada por rectas horizontales (independientes de V CE) para los diversos valores de IB (en este caso se ha representado el ejemplo para β=100). Evidentemente, no se dibujan más que unos valores de I B para no emborronar el gráfico. Para IB=0, la corriente de colector también debe ser nula. La región de corte está representada por el eje de abscisas. Por contra, para V CE=0 el transistor

entra en saturación, luego esta región queda representada por el eje de ordenadas. Hasta aquí se presenta la característica ideal, pero como era de esperar, la realidad es un poco más compleja, y las curvas quedarán como representa la siguiente figura: Las diferencias son claras:



En la Región Activa la corriente del colector no es totalmente independiente de la tensión colector-emisor. Para valores altos de la corriente cobra importancia la resistencia interna del transistor.



La región de saturación no aparece bruscamente para VCE=0, sino que hay una transición gradual. Típicamente se suele considerar una tensión de saturación comprendida entre 0.1V y 0.3V.

Estas curvas representan, en cierto modo, la forma de funcionamiento del transistor. Se puede comprobar que, para una tensión constante de colectoremisor, si se producen pequeñas variaciones de la corriente de base (del orden de µA) esto origina unas variaciones en la corriente de colector mucho más elevadas (del orden de mA), de lo cual se deduce la capacidad del transistor para amplificar corrientes.

Observa que, en la mayor parte de las curvas, la tensión V CE afecta muy poco a la corriente de colector IC. Si se aumenta VCE demasiado (por encima de VCEO), la unión del colector entra en la región de ruptura y éste puede llegar a destruirse. Sin embargo, si la tensión VCE es muy pequeña (por debajo de los 0.7V), la corriente de colector será muy débil, obteniéndose una ganancia de corriente muy baja. En conclusión, para conseguir que el transistor trabaje como amplificador de corriente, la tensión de polarización inversa VCE debe mantenerse por encima de 0.7V y por debajo de la tensión de ruptura. Recta de carga del transistor Hemos de conocer el comportamiento del transistor trabajando con una determinada resistencia de carga y averiguar el punto de funcionamiento del mismo. Para ello, trazamos la recta de carga del transistor en las curvas de colector para poder determinar los puntos de funcionamiento. Para determinar la corriente que circula por el colector (emisor común), podemos aplicar la ley de Ohm entre los extremos de la resistencia de carga R L. La tensión aplicada a esta resistencia se corresponderá con la tensión total aplicada por la fuente VCC menos la caída de tensión que se produce entre el colector y el emisor VCE. De esta forma obtendremos la siguiente expresión, que se corresponderá con la ecuación de la recta de carga:

Para dibujar esta recta sobre la cruva característica, lo primero que hay que hacer es encontrar sus extremos (IC=0 y VCE=0). Para VCE=0

Para IC=0

Llevando estos valores a la curva característica de colector, obtendremos la recta de carga para una determinada resistencia de carga RL y una fuente VCC. A lo larga de esta recta se pueden distinguir tres partes fundamentales: puntos de corte, punto de saturación, punto de trabajo.

El punto de corte es donde la línea de carga corta a la curva correspondiente a la corriente de base igual a cero (IB=0). Dada la escasa polarización directa a que queda sometido el diodo de emisor-base, la corriente que aparece por el colector es prácticamente nula (sólo circula una pequeñísima corriente de fuga I CEO). Haciendo una aproximación, se puede decir, sin equivocarse mucho, que el punto de corte se da en la intersección de la recta de carga con el eje horizontal, es decir cuando VCecorte=VCC. El punto de saturación aparece donde la línea de carga corta a la intensidad de base de saturación. En este punto, la corriente de colector es la máxima que se puede dar para la operación de transistor, dentro de los límites de la recta de carga. Haciendo una aproximación, se puede decir que el punto de saturación aparece en la intersección de la recta de carga con el eje vertical, es decir, cuando:

Para corrientes de base superiores a la de saturación se produce también el efecto de saturación en el transistor.

El punto de trabajo es aquél donde el transistor trabaja de una forma normal y que, normalmente, se encuentra entre la zona de corte de saturación. Para determinar el punto de trabajo (Q) de transistor para una determinada corriente de base (IB), se busca el punto de intersección de la recta de carga con la curva correspondiente a dicha corriente de base. Por último, hay que indicar que, cuando se diseña un circuito para un transistor, se tiene que procurar que el transistor nunca opere por encima de la curva de potencia máxima. Esto se consigue eligiendo valores adecuados de la tensión de fuente VCC y de la resistencia de carga RL, de tal forma que la recta de carga

trazada con dichos valores, esté siempre por debajo de la curva de potencia máxima. En la figura siguiente, es esquematiza esta situación: Obtención de la Ganancia a partir de las curvas características

La ganancia en corriente de un transistor se definía como la relación que se da entre la variación de la corriente d el colector y la variación de corriente de base. Para determinar dicha ganancia se puede recurrir a las características del colector. Como ejemplo, supongamos que las curvas características del transistor ensayado es la que se muestra en la figura de la izquierda. Para un punto de funcionamiento situado en VCE=20V, según las cruvas de la figura de la izquierda, la intensidad de colector variará entre I C=28mA e IC=43mA, mientras que la intensidad de base lo hará entre IB=0.10mA e IB=0.15mA. La ganancia se calcula así: Hemos de tener en cuenta que punto de funcionamiento se encuentra trabajando el transistor, es decir, la tensión que se le está aplicando al mismo, y con ello, la ganancia calculada, será para esa tensión de trabajo, siendo para otra, otra ganancia diferente de la calculada en otro punto.

Curva de máxima potencia del transistor Una de las aplicaciones de las curvas características de un transistor, es que, a partir de éstas se pueden determinar los límites de funcionamiento del mismo. Estos límites están determinados por una potencia máxima que puede desarrollar un transistor sin provocar su destrucción. Veamos en qué consiste éste fenómeno: El transistor posee una resistencia entre el colector y el emisor, que varía en función dela intensidad que se le aplique a su base IB. Por esta resistencia variable circula una corriente IC, relativamente grande, que provoca en la misma una potencia calorífica o calentamiento, debido al efecto Joule. Esta potencia se calcula realizando el producto de la tensión V CE, aplicada entre el colector y el emisor, por la intensidad de colector IC. (P = VCE·IC). Como esta potencia se transforma íntegramente en calor, provoca un aumento de la temperatura en el transistor que, en el caso de salirse de los límites admisibles, provocará la destrucción del mismo. La potencia máxima trabajo de un transistor es un dato que proporciona los fabricantes en las hojas de especificaciones técnicas. Así, por ejemplo, para el transistor BC107 se indica una potencia máxima de 300mW. Con este dato se puede trazar una curva de potencia máxima sobre la familia de curvas de colector, para así poder determinar para qué tensiones de colectoremisor y corrientes de colector es posible trabajar con el transistor sin que se deteriore. Por ejemplo, para no superar los valores límite, en el caso del transistor BC107 se deberá cumplir en todo momento la expresión:

Luego la curva de potencia máxima para este transistor será tal que el producto VCE·IC=0.3W. En la figura de la derecha, se muestran las curvas correspondientes a la familia de colector del transistor BC107, y en las que se ha añadido la curva de potencia máxima. La hipérbola divide a la característica en dos zonas diferenciadas: la zona prohibida de funcionamiento, que queda por encima de la misma (sombreado con naranja), en la cual la potencia es mayor de 300mW y, por lo tanto, es donde el transistor corre peligro de destrucción por la acción del calor; y la zona de trabajo, que queda por debajo de la hipérbola, y en la cual la potencia es inferior a 300mW. Influencia de la temperatura ambiente en la potencia máxima de un transistor La potencia máxima que puede disipar un transistor, en forma de calor, depende de la temperatura máxima permitida en la unión colector Tj(max). Esta temperatura nunca debe ser superada, ya que a partir de ella se puede destruir el transistor. Este dato aparece en las hojas de características del componente. Así, por ejemplo, el transistor BC107 posee una Tj (max) de 175ºC.

La potencia máxima a que puede trabajar un transistor también depende de la temperatura ambiente. Hay que tener en cuenta que el calor producido en las uniones se conduce a través del encapsulado del transistor y se disipa al aire que le rodea. Cuanto mayor sea la temperatura de este aire (temperatura ambiente), peor será la ventilación del transistor, y por lo tanto, menor la potencia máxima que se le puede exigir al mismo. Por lo general, en las hojas de características técnicas se indica la potencia máxima para una temperatura ambiente de 25ºC. En el caso de que la temperatura ambiente fuese superior

habría

que

encontrar

la

potencia

máxima de funcionamiento para que el transistor trabaje dentro de sus límites de temperatura admisibles. En algunas hojas de especificaciones técnicas aparece la curva de reducción, como la que se encuentra en la figura de la derecha. Esta curva, nos indica que para una temperatura ambiente de 25ºC, la potencia máxima es de 125mW. Sin embargo, para 55ºC, la potencia máxima disminuye a 50mW. En el caso de que se desee aumentar la potencia de un transistor, se puede acoplar un disipador de calor, o aleta de refrigeración en la superficie de la cápsula del mismo, de esta forma, se consigue que el calor se evacúe con mayor facilidad hacia el aire exterior.

LO QUE FALTA……………

- MATERIALES Y EQUIPO Una Fuente de Tensión de 0 a 15 V Un transistor 2N3904 (NPN) o equivalente 9 Resistencias de ½ W: 100Ω,750Ω,910Ω, 1KΩ, 2.2KΩ, 3.3KΩ, 10KΩ, 270KΩ, 470KΩ. Un VOM (Multímetro digital o analógico)

III.- PROCEDIMIENTO

POLARIZACION FIJA DE BASE - El circuito con el que se trabajó es el siguiente:

En las mediciones prácticas se obtuvieron los siguientes resultados:

Práctico

Teórico

VC

7.5V

7.53V

VB

0.7V

0.7V

VE

0V

0V

VCE

7.5V

7.53V

IC

10mA

9.96mA

IE

10mA

9.96mA

IB

52.96μA

52.96μA

β

188.82

188

RESULTADOS TEORICOS Si consideramos B=188 Tenemos En la Malla de base: Ib(270K)+0.7V=15V Ib = (15V-0.7V)/(270K) Ib = 52.96uA Ic = B(Ib) Ic = (188)(52.96uA) Ic = 9.96 mA En la malla de colector Ic(750)+Vce = 15V Vce = 15V – (9.96mA)(750) Vce = 7.53 V

CONCLUSIONES La corriente de colector es aproximadamente igual a la corriente del emisor. La corriente de base es mucho más pequeña, generalmente menor que el 5% de la corriente de emisor. La razón de la corriente de colector a la corriente de base se llama ganancia de corriente, y se le denota por βCD o bien por hFE. Cuando el transistor se usa como amplificador, el transistor opera en la región activa. Cuando se usa en circuitos digitales, el transistor usualmente opera en las regiones de saturación y/o corte.