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Electrónica – 5 EM – ITS Lorenzo Massa
Unidad 4 - Ing. Juan Jesús Luna
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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 encuentran prácticamente en todos los aparatos electrónicos de uso diario: radios,
televisores, reproductores de audio y video, relojes de cuarzo, computadoras, lámparas
fluorescentes, tomógrafos, teléfonos celulares, etc.
El Transistor Bipolar de Unión o TBJ.
tipo NPN
tipo PNP
El transistor bipolar es el más común de los transistores, y como los diodos, puede ser
de germanio o silicio. Existen dos tipos transistores: el NPN y el PNP, y la dirección del
flujo de la corriente en cada caso, lo indica la flecha que se ve en el grafico de cada tipo
de transistor. El transistor es un dispositivo de 3 patillas con los siguientes nombres:
base (B), colector (C) y emisor (E), coincidiendo siempre, el emisor, con la patilla que
tiene la flecha en el gráfico de transistor.
Funcionamiento del Transistor: Para entender mejor este fenómeno, se analizara un
ejemplo que podría llamarse “transistor hidráulico”. Por la tubería O llega presión de
agua y puede seguir dos caminos:
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1. Por C que no puede pasar ya que se lo impide el tapón.
2. Por B que al estar cerrada la llave L tampoco puede pasar.
Por lo tanto por la tubería E no sale agua y se puede decir que el transistor está
bloqueado.
Si se abre 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.
Esta figura muestra como si se abre más la llave de paso L por la tubería B sale más
agua y por lo tanto empuja mas fuerte a la palanca y abre completamente el paso por la
tubería C.
Como se puede comprobar se dan tres situaciones:
1. Está totalmente cerrada: no circula agua. (Zona de Corte o Bloqueo)
2. Cuando esta algo abierta, pero no lo suficiente para que el tapón este abierto del todo:
Se puede regular el caudal por C abriendo más o menos la llave L. (Zona Activa o de
Amplificación)
3. Cuando se abre L lo suficiente para que este el tapón totalmente abierto y por C pasa
prácticamente todo el caudal, ya que lo que pasa por B es despreciable frente a lo que
pasa por C. (Zona de Saturación)
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Esto mismo es lo que se tiene en los transistores eléctricos, cambiando caudal de agua
por corriente:
1. Por la base no se le suministra corriente: El transistor no deja conducir entre colector
y emisor. (Zona de Corte o Bloqueo)
2. Por la base se le suministra una pequeña corriente: Se puede controlar el paso de
corriente entre el colector y el emisor. La corriente que pasa entre colector y emisor es
mucho mayor que la corriente que se le suministra a la base. (Zona Activa o de
Amplificación)
3. Se le suministra suficiente corriente a la base para que circula la máxima corriente
entre colector y emisor, se dice que el transistor está saturado y la corriente que se le
suministra a la base es la necesaria para producir la saturación del transistor. (Zona de
Saturación)
Cuando trabaja como interruptor el transistor trabaja en corte y en saturación
(Electrónica Digital), mientras que cuando trabaja como amplificador trabaja con
corrientes en la base menores para controlar la corriente entre colector y emisor
(Electrónica Analógica).
Estructura: Un Transistor Bipolar de Unión consiste de tres regiones
semiconductoras dopadas: las regiones de emisor, de base y de colector. Estas regiones
son, respectivamente, tipos P, N y P en un PNP, y tipo N, P, y N en un transistor NPN.
Cada región del semiconductor está conectada a un terminal, denominado emisor (E),
base (B) o colector (C), según corresponda.
Corte transversal simplificado de un transistor de unión bipolar NPN: Se puede apreciar
como la unión base-colector es mucho más amplia que la base-emisor.
La base está físicamente localizada entre el emisor y el colector y está compuesta de
material semiconductor ligeramente dopado y de alta resistividad. El colector rodea la
región del emisor, haciendo casi imposible para los electrones inyectados en la región
de la base escapar de ser colectados.
El transistor de unión bipolar, a diferencia de otros transistores, no es usualmente un
dispositivo simétrico. Esto significa que intercambiando el colector y el emisor hacen
que el transistor deje de funcionar en modo activo y comience a funcionar en modo
inverso. La falta de simetría es principalmente debido a las tasas de dopaje entre el
emisor y el colector. El emisor está altamente dopado, mientras que el colector está
ligeramente dopado, permitiendo que pueda ser aplicada una gran tensión inversa en la
unión colector-base antes de que esta colapse. La unión colector-base está polarizada en
inversa durante la operación normal. La razón por la cual el emisor está
altamente dopado es para aumentar la eficiencia de inyección de portadores del emisor.
Pequeños cambios en la tensión aplicada entre los terminales base-emisor genera que la
corriente que circula entre el emisor y el colector cambie significativamente. Este efecto
puede ser utilizado para amplificar la tensión o corriente de entrada. Los TBJ son
fuentes de corriente controladas por corriente.
Los primeros transistores fueron fabricados de germanio, pero la mayoría de los TBJ
modernos están compuestos de silicio. Actualmente, una pequeña parte de éstos (los
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transistores bipolares de heterojuntura) están hechos de arseniuro de galio,
especialmente utilizados en aplicaciones de alta velocidad.
Un transistor NPN puede ser considerado como dos diodos con la región del ánodo
compartida.
El transistor es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si se le introduce una
cantidad de corriente por una de sus patillas (base), el entregará por otra (emisor), una
cantidad mayor a ésta, en un factor que se llama amplificación. Este factor se llama b
(beta) y es un dato propio de cada transistor.
Entonces:
Ic (corriente que pasa por la patilla colector) es igual a b (factor de amplificación)
por Ib (corriente que pasa por la patilla base).
Ic = b * Ib
Ie (corriente que pasa por la patilla emisor) es del mismo valor que Ic, sólo que, la
corriente en un caso entra al transistor y en el otro caso sale de el, o viceversa.
Identificación de los Terminales: Con un ohmetro, y teniendo cuidado que sus
terminales coincidan con la polaridad de la batería, se efectúa lo siguiente:
a. Se enumeran las patitas al azar (Ver fig. 1).
b. Se coloca el ohmetro tal como se indica en la Fig. 2, Fig. 3 y Fig. 4, hasta obtener
dos lecturas de baja resistencia con un punto común tal como señalan las figuras 2 y 4,
en donde el punto común es el contacto número 2. En caso de no obtener las dos
lecturas de baja resistencia, intercambie la punta de prueba y repita las mediciones
indicadas en las figuras 2, 3 y 4.
El contacto común (en este caso la patita 2) viene hacer la base del transistor.
Para ubicar el contacto del colector, de las dos lecturas de baja resistencia se selecciona
la menor. La diferencia es de solamente unos ohmios, en algunos casos son decimos de
ohmios.
Supongamos que la figura 2 tenga una resistencia mucho menor que la figura 4, en este
caso el colector viene hacer el contacto número 1.
El contacto restante (o sea la patita numero 3) será la conexión de Emisor.
Si el transistor posee cuatro patitas, generalmente una de ellas hace contacto con el
recubrimiento metálico del transistor (contacto de masa). Esta patita se descarta y se
considera únicamente las restantes.
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El Transistor como Llave Lógica.
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Especificaciones Técnicas:
Polarización: Polarizar un transistor significa conseguir que las corrientes y tensiones
continuas que aparecen en el mismo queden fijadas a unos valores convenientes
previamente decididos. Es posible polarizar el transistor en zona activa, en saturación o
en corte, cambiando las tensiones y componentes del circuito en el que se engloba.
El TBJ se emplea en numerosas aplicaciones, y en infinidad de circuitos diferentes, en
cada uno de ellos se lo polariza de forma determinada. Supóngase que se quiere
polarizar un TBJ en zona activa. Se ha de conseguir que sus tensiones y corrientes
cumplan las condiciones de estar en activa: VBE = 0,7V, VCE > 0,2V. Una primera
opción sería usar un circuito como el de la siguiente figura.
Se puede ver cómo se consigue polarizar la unión base-emisor mediante una resistencia
(R) conectada a alimentación. Por la base del transistor circulará una corriente igual a
(VCC-VBE)/R, y en colector-emisor se tendrá VCE = VCC > VCEsat. Este primer
circuito tiene como inconveniente por un lado que el transistor nunca se podría polarizar
en saturación, pues no se puede conseguir que VCE = 0,2V siendo VBE =0,7V; y por
otro lado la excesiva disipación. Un circuito un poco más complejo, y con el que se
puede conseguir polarizar al transistor en las tres regiones de funcionamiento es el de la
siguiente figura:
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Se ve que en este caso la tensión colector-emisor depende directamente de la corriente
de base (VCE=VCC - β IB RC), y dicha corriente se fija actuando sobre la resistencia
de base; (IB=(VCC - VBE) / RB). Para polarizar el transistor en cada una de las
regiones se pueden emplear las dos ecuaciones mencionadas y aplicar las restricciones
de cada región.
Cuando se pretende que la polarización sea estable (es decir, que no varíe con factores
externos), se usan redes de polarización más complejas, que fijan la tensión en base,
como por ejemplo la que aparece en la siguiente figura:
Simplificación del circuito: Aplicando Thevenin al circuito de la base del transistor, y
obteniendo la figura siguiente con sus ecuaciones:
Y a partir de estos valores se puede plantear directamente una ecuación que resuelva la
corriente de base, de la siguiente forma (teniendo en cuenta la relación que existe entre
corriente de emisor y de base):
Una vez conocida la corriente de base, el resto de corriente y tensiones se obtienen
inmediatamente:
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Y a partir de estos valores se obtienen el resto de tensiones del circuito, es decir:
El TBJ como amplificador: El comportamiento del transistor se puede ver como dos
diodos, uno entre base y emisor, polarizado en directo (0,6 a 0,8 V para un transistor de
silicio) y otro diodo entre base y colector, polarizado en inverso (unos 0,4 V para el
germanio). En el colector se tiene una corriente proporcional a la corriente de base: IC =
β IB, es decir, ganancia de corriente cuando β>1. Para transistores normales de señal, β
varía entre 100 y 300.
Al transistor se lo puede montar en emisor común (EC), base común (BC) o colector
común (CC). Cada una de estas configuraciones posee ventajas y desventajas una
respecto de las otras, siendo la de emisor común la más recurrida a la vez que es la de
mejor respuesta en la mayor parte de las aplicaciones.
Emisor Común: Es la aplicación práctica más importante para la que se usan los
transistores:
Ic + ic
Rc
Vo
Ib + ib
Co
Vcc
Ci
Rb
AC
Vi
Vbb
Recordar que un capacitor en altas frecuencias se comporta como un cortocircuito
mientras que a bajas frecuencias la reactancia aumenta hasta comportarse como un
circuito abierto para C.C. Conviene analizar al amplificador en dos etapas, una desde el
punto de vista de la C.C. y el otro desde el punto de vista de la C.A. Con esto, se puede
analizar al circuito mediante dos circuitos más sencillos y, gracias a la teoría de la
superposición, la respuesta total resultará de la suma de los datos obtenidos en los dos
circuitos en que se descompuso al original.
Análisis de Continua: Se siguen los siguientes pasos:
1º) Se cortocircuita el generador de entrada de alterna.
2º) Se consideran los capacitores como circuitos abiertos.
3º) Se analiza este circuito resultante.
Abriendo Ci y Co y cortocircuitando al generador de entrada se tiene:
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Ic
Rc
Ib
Vcc
Rb
Vbb
Donde Ib = (Vbb – Vbe) / Rb y Ic = (Vcc - Vce) / Rc
Eligiendo convenientemente los valores de Vcc, Vbb, Rb y Rc se obtendrá la
polarización adecuada del TBJ.
Análisis en Alterna:
Se siguen los siguientes pasos:
1º) Se cortocircuita la fuente de tensión de C.C.
2º) Se considera a los capacitores como circuitos cerrados (cortocircuitos).
3º) Se estudia el circuito resultante.
ic
Rc
ib
AC
Vi
Vo
Rb
Como norma general se tona que las corrientes y tensiones en Corriente Continua se las
representa en mayúsculas; mientras que las corrientes y tensiones de Corriente Alterna
se las representa en minúsculas.
Observar que la corriente de base ib es proporcional a las variaciones de vi y como ic es
proporcional a ib (si esta polarizado en la Región Activa); se tiene que ic es
proporciónala a vi. La tensión de salida vo = - ic Rc.
Las Ganancias de Tensión y de Corriente de esta etapa amplificadora son:
Av = - hfe Rc
hie
Ai = hfe
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Donde hfe (Ganancia de Corriente o Beta) y hie (Impedancia de Entrada) son
parámetros propios del transistor.
El signo – en la Ganancia de Tensión Av significa que la Tensión de Salida vo esta
desfasada 180º respecto de vi.
Una versión mejorada de esta etapa se muestra en la siguiente figura:
Rc
Rb1
Vo
Co
Vcc
Ci
AC
Rb2
Vi
Re
Ce
Análisis de Continua: Como se puede observar, se polariza el Colector y la Base con
una misma Fuente de Alimentación Vcc. Cortocircuitando el Generador Vi, abriendo
los Capacitores y aplicando el Teorema de Thevenin se obtiene el circuito siguiente:
Rc
Ic
Ib
Vcc
Rth
Vth Re
Donde Ib = (Vth – Vbe – Ic Re) / Rth y Ic = (Vcc - Vce) / (Rc + Re). Suponiendo Ic =
Ie.
Vth = Vcc
Rb2
Rb1 + Rb2
Rth = Rb1 // Rb2
Eligiendo convenientemente los valores de Vcc, Rb1, Rb2, Rc y Re se obtendrá la
polarización adecuada del TBJ. Notar que la Resistencia Re introduce una
Realimentación Negativa que estabiliza la corriente de base Ib.
Análisis en Alterna: Cortocircuitando la Tensión de Alimentación Vcc y los Capacitores
Ci, Co y Ce se obtiene el siguiente circuito:
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Rc
Vo
AC
Vi
Rb1 // Rb2
Las Ganancias de Tensión y de Corriente de esta etapa amplificadora son:
Av = - hfe Rc
hie
Ai = hfe
Donde hfe (Ganancia de Corriente o Beta) y hie (Impedancia de Entrada) son
parámetros propios del transistor.
El signo – en la Ganancia de Tensión Av significa que la Tensión de Salida vo esta
desfasada 180º respecto de vi.
Para terminar con el análisis se debe suponer que ahora se aplica una señal al circuito y
se vera cómo varía el punto Q.
En la figura se ve un ejemplo, donde se muestra el punto Q en ausencia de señal y cómo
varía con la aplicación de una señal de entrada.
Se ve que la señal Ie no es una correspondencia directa de la aplicada en la base del
transistor dado la curvatura de la gráfica de la característica del transistor.
Es importante verificar bien el lugar de ubicación del punto Q, dado que si se quiere que
el transistor opere en la zona activa y se polariza a éste en un punto Q cercano a la zona
de saturación, se corre el riesgo de que cuando se le aplica una señal de entrada, Q se
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desplace hacia la zona de saturación, dejando la zona activa. Para evitar este problema
conviene analizar siempre antes la variación de Q en el transistor y verificar que no se
salga de la región donde se quiere que trabaje.
Circuito y Recta de Carga: Para que una señal sea amplificada tiene que ser una señal de
corriente alterna. No tiene sentido amplificar una señal de corriente continua, por
que ésta no lleva ninguna información. La señal alterna es la señal a amplificar y la
continua sirve para establecer el punto de operación del amplificador. Este punto de
operación permitirá que la señal amplificada no sea distorsionada.
El punto de operación en corriente continua está sobre una línea de carga dibujada en la
familia de curvas del transistor. Esta recta está determinada por fórmulas que se
mostraron anteriormente. Hay dos casos extremos:
- Cuando el transistor está en saturación (Ic max.), que significa que Vce es
prácticamente 0 voltios.
- Cuando el transistor está en corte (Ic = 0), que significa que Vce es prácticamente
igual a Vcc.
Si se modifica Rb1 y/o Rb2 el punto de operación se modificará para arriba o para abajo
en la curva pudiendo haber distorsión. Si la señal de entrada (Vi) es muy grande, se
recortarán los picos positivos y negativos de la señal en la salida (Vo)
Capacitor de derivación (Ce): El resistor Re aumenta la estabilidad del amplificador,
pero tiene el gran inconveniente que es muy sensible a las variaciones de temperatura
(causará cambios en la corriente de base, lo que causará variaciones en la corriente de
emisor (recordar Ic = β Ib)).
Esto causará una disminución en la ganancia de corriente alterna, lo que no es deseable.
Para resolver el problema se pone en paralelo con Re un capacitor que funcionará como
un cortocircuito para la corriente alterna y un circuito abierto para corriente continua.
Zin (impedancia de entrada) = Rb1 // Rb2 // hie, que normalmente no es un valor alto
(contrario a lo deseado)
Zo (impedancia de salida) = Rc
La salida está 180° desfasada con respecto a la entrada (es invertida)
Base Común: La señal se aplica al Emisor del TBJ y se extrae por el Colector, siendo la
Base común a los circuitos de entrada y de salida. La señales de entrada y de salida de un
circuito en Base común (BC) están en fase. Para que un transistor PNP o NPN funcione
normalmente en cualquier tipo de circuito amplificador, la unión B-E debe estar polarizada
directamente y la unión B-C polarizada inversamente. Para conseguir esto, en este TBJ
NPN debe ser el Colector mas positivo que la Base y esta mas positiva que el Emisor; lo
que se consigue eligiendo convenientemente los valores de Vcc, Rc, Rb1, Rb2 y Re. En
esta configuración se tiene ganancia sólo de tensión. La impedancia de entrada es baja y
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la ganancia de corriente algo menor que uno, debido a que parte de la corriente de
emisor sale por la base.
Ic + ic
Ci
Co
Vo
Rc
Ib + ib
AC
Vi
Re
Rb1
Rb2
Vcc
La resistencia de emisor puede ser la propia impedancia de salida de la fuente de señal
Vi. Realizando cálculos se determina que la Ganancia de Tensión aproximada es:
Av = Rc / Re
La etapa base común se suele usar para adaptar fuentes de señal de baja impedancia de
salida como, por ejemplo, micrófonos dinámicos.
Colector común: La señal se aplica a la base del transistor y se extrae por el emisor. El
colector se conecta a masa (tanto de la señal de entrada como a la de salida).
Rc
Rb1
Co
Ci
AC
Vi
Vcc
Vo
Rb2
Re
Este amplificador es muy útil pues tiene una impedancia de entrada muy alta y una
impedancia de salida baja.
Nota: La impedancia de entrada alta es una característica deseable en un
amplificador pues, el dispositivo o circuito que lo alimenta no tiene que entregarle
mucha corriente (y así cargarlo) cuando le pasa la señal que se desea amplificar.
El voltaje se salida "sigue" al voltaje en el emisor, sólo que es de un valor ligeramente
menor (0.6 voltios aproximadamente). Ve = Vb - 0.6 Voltios
La ganancia de tensión es: Av = Vout / Vin = Ve / Vb.
Como Ve es siempre menor que Vb, entonces la ganancia siempre será menor a 1.
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La impedancia de entrada se obtiene con la siguiente fórmula: Zin = (β + 1) x Re
Donde: β es la ganancia de corriente del transistor (dato del fabricante)
Del gráfico anterior. Si Re = 2.2 K y β = 150
Zin = (β + 1) x Re = (150 + 1) x 2200 Ohmios = 332,000 Ohmios (332 K)
Este amplificador aparenta una impedancia de entrada de 332,000 Ohmios a la fuente de
la señal que se desea amplificar. Este tipo de circuito es muy utilizado
como circuitos separadores y como adaptadores de impedancia entre las fuentes de señal
y las etapas amplificadoras
Cada configuración obtiene diferentes Ganancia en Tensión (Av), así como diferentes
impedancias tanto de entrada como de salida.
A continuación se ve un resumen de las principales características de cada uno de los
tres posibles montajes:
Montaje
Av
Desfasaje (V)
Zi
Zo
E. C.
Alta
180º
media
Media
B. C.
Alta
0º
baja
Alta
C. C.
<1
0º
alta
Baja
El TBJ frente a la válvula termoiónica: Antes de la aparición del transistor los
ingenieros utilizaban elementos activos llamados válvulas termoiónicas. Las válvulas
tienen características eléctricas similares a la de los transistores de efecto campo (FET):
la corriente que la atraviesa depende de la tensión en el borne de comando, llamado
rejilla. Las razones por las que el transistor reemplazó a la válvula termoiónica son
varias:
- Las válvulas necesitan tensiones muy altas, del orden de las centenas de voltios, que
son peligrosas para el ser humano.
- Las válvulas consumen mucha energía, lo que las vuelve particularmente poco útiles
para el uso con baterías.
- Probablemente, uno de los problemas más importantes haya sido el peso.
El chasis necesario para alojar las válvulas y los transformadores requeridos para su
funcionamiento sumaban un peso importante, que iba desde algunos kilos a decenas de
kilos.
- El tiempo medio entre fallas de las válvulas termoiónicas es muy corto comparado con
el de los transistores, sobre todo a causa del calor generado.
- Las válvulas presentan una cierta demora en comenzar a funcionar, ya que necesitan
estar calientes para establecer la conducción.
- El transistor es intrínsecamente insensible al efecto microfónico, muy frecuente en las
válvulas.
- Los transistores son más pequeños que las válvulas. Aunque existe unanimidad sobre
este punto, conviene hacer una salvedad: en el caso de dispositivos de potencia, estos
deben llevar un disipador, de modo que el tamaño que se ha de considerar es el del
dispositivo (válvula o transistor) más el del disipador. Como las válvulas pueden
funcionar a temperaturas más elevadas, la eficiencia del disipador es mayor en ellas que
en los transistores, con lo que basta un disipador mucho más pequeño.
- Los transistores trabajan con impedancias bajas, o sea con tensiones reducidas y
corrientes altas; mientras que las válvulas presentan impedancias elevadas y por lo tanto
trabajan con altas tensiones y pequeñas corrientes.
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- Finalmente, el costo de los transistores no solamente era muy inferior, sino que
contaba con la promesa de que continuaría bajando (como de hecho ocurrió) con
suficiente investigación y desarrollo.
Como ejemplo de todos estos inconvenientes se puede citar a la primera computadora
digital, llamada ENIAC. Era un equipo que pesaba más de treinta toneladas y consumía
200 kilovatios, suficientes para alimentar una pequeña ciudad. Tenía alrededor de
18.000 válvulas, de las cuales algunas se quemaban cada día, necesitando una logística
y una organización importantes.
Cuando se invento el TBJ en 1947, fue considerado una revolución. Pequeño, rápido,
fiable, poco costoso, sobrio en sus necesidades de energía, reemplazó progresivamente a
la válvula termoiónica durante la década de 1950, pero no del todo. En efecto, durante
los años 1960, algunos fabricantes siguieron utilizando válvulas termoiónicas en
equipos de radio de gama alta, como Collins y Drake; luego el transistor desplazó a la
válvula de los transmisores pero no del todo de los amplificadores de radiofrecuencia.
Otros fabricantes, de equipo de audio esta vez, como Fender, siguieron utilizando
válvulas en amplificadores de audio para guitarras. Las razones de la supervivencia de
las válvulas termoiónicas son varias:
El transistor no tiene las características de linealidad a alta potencia de la válvula
termoiónica, por lo que no pudo reemplazarla en los amplificadores de transmisión de
radio profesionales y de radioaficionados sino hasta varios años después.
Los armónicos introducidos por la no-linealidad de las válvulas resultan agradables al
oído humano, por lo que son preferidos por los audiófilos.
El transistor es muy sensible a los efectos electromagnéticos de las explosiones
nucleares, por lo que se siguieron utilizando válvulas termoiónicas en algunos sistemas
de control-comando de aviones caza de fabricación soviética.
Las válvulas son capaces de manejar potencias muy grandes, impensables para los
transistores en sus comienzos; sin embargo a través de los años se desarrollaron etapas
de potencia con múltiples transistores en paralelo capaces de conseguirlo.
Amplificador Push Pull: También se lo llama amplificador contrafásico, pues usa
2 grupos de transistores. Cada grupo se encarga de amplificar una sola fase de la onda
de entrada. Ver en el diagrama.
Un grupo es de color amarillo y el otro es de color verde. (En este caso sólo hay un
transistor por grupo). Cuando un grupo entra en funcionamiento el otro entra está en
corte y viceversa.
Un amplificador emisor común se utiliza para amplificar señales pequeñas. En esta
configuración la tensión de la señal de salida tiene prácticamente la misma amplitud que
la de la señal de entrada (ganancia unitaria) y tienen la misma fase.
Cuando la señal de entrada es grande y lo que se desea es ampliar la capacidad de
entrega de corriente, se usa un amplificador push-pull. (Amplificador de potencia).
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El amplificador que se muestra en el gráfico está constituido por dos transistores. Uno
NPN y otro PNP de las mismas características. La entrada de la señal llega a la base de
ambos transistores a través de la patilla base de cada transistor.
El transistor Q1 tendrá polarización directa en los semiciclos positivos
(ver color amarillo) y a través de RL (resistor de carga) aparecerá una señal que sigue a
la entrada (esto significa que la señal de entrada y salida están en fase).
En los ciclos negativos (color verde) el transistor Q1 se pone en corte y no aparecerá
señal en la salida (se parece a la salida de un rectificador de media onda)
El transistor Q2 tendrá polarización directa en los semiciclos negativos (ver color verde)
y a través de RL aparecerá una señal que sigue a la entrada (están en fase).
En los ciclos positivos (color amarillo) el transistor Q2 se pone en corte y no aparecerá
señal en la salida (se parece a la salida de un rectificador de media onda)
Del tercer gráfico (a la derecha) se observa que la onda de salida se distorsiona (ver
cerca del eje horizontal).
Esta distorsión se debe a la caída de tensión de 0.6 voltios que hay entre la base y el
emisor de los transistores Q1 y Q2.
Nota: El valor máximo de la señal de salida siempre será inferior al valor máximo de la
señal de entrada debido a la caída de voltaje base - emisor en los transistores. (La
ganancia es siempre ligeramente menor que 1). En otras palabras hay una ligera
atenuación, pero una gran ganancia de corriente y como consecuencia una ganancia de
potencia.
Encapsulados: Los componentes electrónicos como ser transistores, tiristores, triacs, etc.
necesitan tener cierta robustez al uso, esto se logra envolviendo o sumergiéndolo en
algún material resistente como pueden ser el plástico o la cerámica. Esta “envoltura” es
lo que se conoce como encapsulado y provee al semiconductor la rigidez necesaria y el
debido aislamiento del medio ambiente, además de permitir la sujeción del mismo; el
encapsulado también debe ayudar a “radiar” el calor generado internamente cuando se
encuentran en operación. Los encapsulados varían en función al tamaño del propio
circuito que se encuentra incrustado y la cantidad de energía que maneja (con su
correspondiente generación de calor). A mayor potencia, mayor tamaño. A continuación
se describen algunos tipos de encapsulados comunes:
TO-92: Es de plástico, se usa para transistores de pequeña señal; su aspecto y sus
dimensiones se muestran en los siguientes gráficos (La asignación de los pines de Base,
Colector y Emisor no se encuentra estandarizada por lo que es necesario recurrir a
manuales de reemplazo para conocerla):
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TO-18: También para transistores de pequeña señal, un poco más grande que TO-92, es
metálico, la carcasa tiene una saliente que indica que el pin más cercano es el Emisor.
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En las siguientes figuras se muestran algunos encapsulados típicos:
Circuitos Multietapas: Se llama así a todo circuito electrónico que dispone de mas de
una etapa básica trabajando en conjunto con otra/s para conseguir un determinado
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resultado; normalmente estas etapas van conectadas en cascada; algunas trabajan en
forma digital y otras en forma analógica.
Ejemplo Digital: Detector de Humedad:
Ejemplo Analógico:
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Osciladores con Transistores: Un Oscilador es un circuito que genera una señal
periódica a la salida sin tener ninguna entrada periódica. Los osciladores se clasifican en
armónicos, cuando la salida es sinusoidal, o de relajación, si generan una onda
cuadrada. Un oscilador a cristal es un oscilador armónico cuya frecuencia está
determinada por un cristal de cuarzo o una cerámica piezoeléctrica.
Los sistemas de comunicación suelen emplear osciladores armónicos, normalmente
controlados por cristal, como oscilador de referencia. Pero también osciladores de
frecuencia variable. La frecuencia se puede ajustar mecánicamente (condensadores o
bobinas de valor ajustable) o aplicando tensión a un elemento, estos últimos se conocen
como osciladores controlados por tensión o VCO, es decir, osciladores cuya frecuencia
de oscilación depende del valor de una tensión de control. Y también es posible hallar
osciladores a cristal controlados por tensión o VCXO.
Parámetros del oscilador:
– Frecuencia: Es la frecuencia del modo fundamental.
– Margen de sintonía (para los de frecuencia ajustable): Es el rango de ajuste.
– Potencia de salida y rendimiento: El rendimiento es el cociente entre la potencia de la
señal de salida y la potencia de alimentación que consume.
– Nivel de armónicos: Potencia del armónico referida a la potencia del fundamental, en
dB.
– Pulling: Variación de frecuencia del oscilador al variar la carga.
– Pushing: Variación de frecuencia del oscilador al variar la tensión de alimentación.
– Deriva con la temperatura: Variación de frecuencia del oscilador al variar la
temperatura.
– Ruido de fase o derivas instantáneas de la frecuencia.
– Estabilidad de la frecuencia a largo plazo, durante la vida del oscilador.
Criterio de oscilación: Para hallar el criterio de oscilación se puede asimilar el oscilador
a un circuito con realimentación positiva, como el que se muestra en la siguiente figura
xi y xo son las señales de entrada y salida, mientras que xr y xe son, respectivamente, la
señal de realimentación y la señal de error.
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Diagrama de bloques de un circuito lineal con realimentación positiva
A es la ganancia del amplificador inicial, o ganancia en lazo abierto, β es el factor de
realimentación y Aβ es la ganancia de lazo. Todos son números complejos cuyo módulo
y fase varían con la frecuencia angular, ω. La ganancia del circuito realimentado es:
Osciladores Colpitts y Hartley: Son dos esquemas clásicos de oscilador con un único
elemento activo, que puede ser un BJT o un MOSFET. Los circuitos equivalentes para
c.a. de las versiones con BJT están representados en la siguiente figura (Notar que en
ambas configuraciones no se consideraron las resistencias de polarizacion del
transistor):
El Colpitts emplea dos condensadores y una bobina en la red de realimentación,
mientras que el Hartley emplea dos bobinas y un condensador; el análisis completo de
estos circuitos esta fuera del alcance del curso.
El Transistor de Efecto de Campo o FET (Field Effect Transistor): Los transistores más
conocidos son los bipolares (NPN y PNP), llamados así porque la conducción tiene
lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y
electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones pero tienen
ciertos inconvenientes, entre los que se encuentra su impedancia de entrada bastante
baja.
Existen unos dispositivos que eliminan este inconveniente en particular y que pertenece
a la familia de dispositivos en los que existe un solo tipo de portador de cargas, y por
tanto, son unipolares. Se llama Transistor de Efecto de Campo o FET.
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FET es una familia de transistores que se basan en el campo eléctrico para controlar la
conductividad de un "canal" en un material semiconductor. Los FET pueden plantearse
como resistencias controladas por tensión.
El JFET (Junction Field-Effect Transistor): Un JFET 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.
En los extremos del canal se hacen sendas conexiones óhmicas llamadas
respectivamente sumidero o drenaje (D-Drain) y fuente (S-Source), más una conexión
llamada puerta (g-Gate) en el collar.
Croquis de un JFET con canal N
Símbolos gráficos para un JFET de canal N
Símbolos gráficos para un JFET de canal P
Polarización: JFET de Canal N:
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Explicación de la combinación de portadores en el JFET de Canal N: Puesto que hay
una tensión positiva entre Drain y Source, los electrones fluirán desde Source a Drain,
aunque hay que notar que también fluye una corriente despreciable entre Source y Gate,
ya que el diodo formado por la unión Canal N – Gate, esta polarizado inversamente
(Gate es el terminal equivalente a la Base del BJT). Notar que mediante la tensión Vgs
se puede controlar el ancho del canal y por lo tanto la corriente que fluye desde Drain a
Source.
Cuando se selecciona un transistor se tiene que conocer el tipo de encapsulado, el
esquema de identificación de los terminales y una serie de valores máximos de
tensiones, corrientes y potencias que no se deben sobrepasar para no destruir el
dispositivo. El parámetro de la potencia disipada por el transistor es especialmente
crítico con la temperatura, de modo que esta potencia decrece a medida que aumenta el
valor de la temperatura, siendo a veces necesaria la instalación de un radiador, disipador
o aleta refrigeradora. Todos estos valores críticos los proporcionan los fabricantes en las
hojas de características de los distintos dispositivos.
Las uniones Gate-Drain y Source-Gate están polarizadas en inversa de tal forma que no
existe otra corriente que la inversa de saturación de la unión PN, por lo tanto la corriente
que toma Gate es muy pequeña (puede despreciarse), lo que indica que es un dispositivo
de muy alta impedancia de entrada.
La zona N (en el JFET Canal N) es pequeña y la amplitud de la zona de deplexión
afecta el ancho efectivo del canal. La longitud de la zona de deplexión y depende de la
tensión inversa (tensión de Gate).
Zonas de funcionamiento del JFET:
Zona Óhmica o Lineal: En esta zona el transistor se comporta como una resistencia
variable dependiente del valor de VGS. Un parámetro que aporta el fabricante es la
resistencia que presenta el dispositivo para VDS=0 (rds on), y distintos valores de VGS.
Zona de Saturación: En esta zona es donde el transistor amplifica y se comporta como
una fuente de corriente gobernada por VGS.
Zona de Corte: La corriente de Drain es nula (ID=0).
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Siempre va a interesar estar en la región de saturación, para que la única variable que
controle la cantidad de corriente que pase por Drain sea la tensión de Gate de la
siguiente forma:
Id = Gm Vgs
El parámetro Gm se le denomina Transconductancia (Seria un equivalente al Beta de un
TBJ).
A diferencia del transistor BJT, los terminales Drain y Source del JFET pueden
intercambiar sus papeles sin que se altere apreciablemente la característica V-I (se trata
de un dispositivo simétrico).
Las explicaciones que se den para el JFET de Canal N son similares pero
opuestas a las correspondientes al JFET de Canal P.
La operación de un JFET de CANAL P es complementaria a la de un
JFET de CANAL N, lo que significa que todos los voltajes y corrientes
son de sentido contrario.
El JFET se comporta como un interruptor controlado por tensión, donde el voltaje
aplicado a Gate permite hacer que fluya o no corriente entre Drain y Source.
Así como los transistores bipolares se dividen en NPN y PNP, los de efecto de campo o
FET son también de dos tipos: Canal N y Canal P, dependiendo de si la aplicación de
una tensión positiva en la puerta pone al transistor en estado de conducción o no
conducción, respectivamente.
Encapsulado e identificación de sus terminales: La fabricación de varios de estos
dispositivos conectados en diversas configuraciones en una misma oblea de silicio,
permitió crear los circuitos integrados o chips, base de todos los aparatos electrónicos
modernos. Conectados de manera apropiada, permite amplificar señales muy débiles,
convertir energía, encender o apagar sistemas de elevada potencia, crear osciladores
desde frecuencias bajas hasta frecuencias de radio, etc.
Los FET de Canal N y de Canal P conectados en disposiciones circuitales apropiadas
permiten crear una enorme cantidad de circuitos para diversos fines, ya que se
complementan pues funcionan con sentidos opuestos de circulación de corriente.
Precauciones: Con los transistores FET hay que tener cuidados especiales, pues algunas
referencias se dañan con solo tocar sus terminales desconectadas (Estática). Por tal
motivo, cuando son nuevos traen sus patas en corto-circuito mediante una espuma
conductora eléctrica o con algo metálico, esto no se debe quitar hasta que estén soldados
a la placa de circuito impreso, hecho esto ya no hay problema.
Características:
- Tiene una resistencia de entrada extremadamente alta (casi 100MΩ).
- No tiene un voltaje de unión cuando se utiliza como conmutador (interruptor).
- Hasta cierto punto es inmune a la radiación.
- Es menos ruidoso que el TBJ.
- Puede operarse para proporcionar una mayor estabilidad térmica.
Entre las principales aplicaciones de este dispositivo podemos destacar:
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Aplicación
Principal Ventaja
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Usos
Aislador o separador
(buffer)
Impedancia de entrada alta Uso general, equipo de medida,
y de salida baja
receptores
Sintonizadores de FM, equipo para
Amplificador de RF Bajo ruido
comunicaciones
Baja distorsión de
Receptores de FM y TV, equipos
Mezclador
intermodulación
para comunicaciones
Amplificador con
Facilidad para controlar
Receptores, generadores de señales
CAG
ganancia
Instrumentos de medición, equipos
Amplificador cascodo Baja capacidad de entrada
de prueba
Amplificadores de cc, sistemas de
Troceador
Ausencia de deriva
control de dirección
Amplificadores operacionales,
Resistor variable por
Se controla por voltaje
órganos electrónicos, controles de
voltaje
tono
Amplificador de baja Capacidad pequeña de
Audífonos para sordera,
frecuencia
acoplamiento
transductores inductivos
Mínima variación de
Generadores de frecuencia patrón,
Oscilador
frecuencia
receptores
Integración en gran escala,
Circuito MOS digital Pequeño tamaño
computadores, memorias
Tipos de FET: Aparte del JFET, existen otras disposiciones para dispositivos que
pertenecen a la misma familia:
- MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) usa un aislante
(normalmente SiO2).
- MESFET (Metal-Semiconductor Field Effect Transistor) substituye la unión PN del
JFET con una barrera Schottky.
- HEMT (High Electron Mobility Transistor), también denominado HFET
(heterostructure FET), la banda de material dopada con "huecos" forma el aislante entre
la puerta y el cuerpo del transistor.
- MODFET (Modulation-Doped Field Effect Transistor)
- IGBT (Insulated-gate bipolar transistor) es un dispositivo para control de potencia.
Son comúnmente usados cuando el rango de voltaje drenaje-fuente está entre los 200 a
3000V. Aun así los Power MOSFET todavía son los dispositivos más utilizados en el
rango de tensiones drenaje-fuente de 1 a 200V.
- FREDFET es un FET especializado diseñado para otorgar una recuperación ultra
rápida del transistor.
- DNAFET es un tipo especializado de FET que actúa como biosensor, usando una
puerta fabricada de moléculas de ADN de una cadena para detectar cadenas de ADN
iguales.
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MOSFET
Estructura del MOSFET en donde se muestran las terminales de Gate (G), Sustrato (B),
Source (S) y Drain (D). Gate está separada del cuerpo por medio de una capa de aislante
(blanco).
Dos MOSFETs de potencia con encapsulado TO-263 de montaje superficial. Cuando
operan como interruptores, cada uno de estos componentes puede mantener una tensión
de bloqueo de 120 V en el estado apagado, y pueden conducir una corriente continua de
30 A en el estado encendido, disipando alrededor de 100 vatios de potencia y
controlando cargas de alrededor de 2000 watts. Un fósforo se muestra como referencia
de escala.
El FET
Metal-Oxido-Semiconductor o MOSFET (en
inglés
Metal-oxidesemiconductor Field-effect transistor) es un transistor utilizado para amplificar o
conmutar señales electrónicas. Aunque el MOSFET es un dispositivo de cuatro
terminales llamadas Source (S), Drain (D), Gate (G) y Sustrato (B), el sustrato
generalmente está conectado internamente a la terminal de Source, y por este motivo se
pueden encontrar dispositivos de tres terminales similares a otros FET. En los
MOSFET, Gate 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 los otros
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. Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica, ya sea
en circuitos analógicos o digitales, aunque el TBJ fue mucho más popular en otro
tiempo. Prácticamente la totalidad de los microprocesadores comerciales están basados
en transistores MOSFET.
El término 'metal' en el nombre de los transistores MOSFET es actualmente incorrecto
debido a que el material de la compuerta, que antes era metálico, ahora se construye con
una capa de silicio policristalino. De manera similar, el 'óxido' utilizado como aislante
en la compuerta también se ha reemplazado por otros materiales con el propósito de
obtener canales fuertes con la aplicación de tensiones más pequeñas.
Otro dispositivo relacionado es el MISFET, que es un transistor de efecto de campo
metal-aislante-semiconductor (Metal-insulator-semiconductor field-effect transistor).
Adicionalmente, el método de acoplar dos MOSFET complementarios (de canal N y
canal P) en un interruptor de estado alto/bajo, conocido como CMOS, implicó que los
circuitos digitales disiparan una cantidad muy baja de potencia, excepto cuando son
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conmutados. Los MOSFET se han convertido en el dispositivo utilizado más
ampliamente en la construcción de circuitos integrados.
Símbolos de circuito: Existen distintos símbolos que se utilizan para representar el
MOSFET. El diseño básico consiste en una línea recta para dibujar el canal, con líneas
que salen del canal en ángulo recto y luego hacia afuera del dibujo de forma paralela al
canal, para dibujar el Source y el Drain. En algunos casos, se utiliza una línea
segmentada en tres partes para el canal del MOSFET de enriquecimiento, y una línea
sólida para el canal del MOSFET de empobrecimiento. Otra línea es dibujada en forma
paralela al canal para destacar el Gate.
En esta figura se tiene una comparación entre los símbolos de los MOSFET de
enriquecimiento y de empobrecimiento, junto con los símbolos para
los JFET (dibujados con el Source y el Drain ordenados de modo que las tensiones más
elevadas aparecen en la parte superior de la página).
Canal P
Canal N
JFET
MOSFET Enriq.
MOSFET Enriq. (sin sustrato)
MOSFET Empob.
Aplicaciones: La forma más habitual de emplear transistores MOSFET es en circuitos
de tipo CMOS, consistentes en el uso de transistores pMOS y nMOS complementarios.
Las aplicaciones de MOSFET discretos más comunes son:
- Resistencia controlada por tensión.
- Circuitos de conmutación de potencia (HEXFET, FREDFET, etc).
- Mezcladores de frecuencia, con MOSFET de doble puerta.
Ventajas: La principal aplicación de los MOSFET está en los circuitos integrados,
PMOS, NMOS y CMOS, debido a varias ventajas sobre los transistores bipolares:
- Consumo en modo estático muy bajo.
- Tamaño muy inferior al transistor bipolar (actualmente del orden de media micra).
- Gran capacidad de integración debido a su reducido tamaño, permite la
miniaturización y la Portabilidad de los equipos fabricados con esta tecnología.
- Funcionamiento por tensión, son controlados por voltaje por lo que tienen una
impedancia de entrada muy alta. La intensidad que circula por la puerta es del orden de
los nA.
- Los circuitos digitales realizados con MOSFET no necesitan resistencias, con el
ahorro de superficie que conlleva.
- La velocidad de conmutación es muy alta, siendo del orden de los nanosegundos.
Cada vez se encuentran más en aplicaciones en los convertidores de alta frecuencias y
baja potencia.
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Transistor IGBT:
Símbolo más extendido del IGBT: Gate o puerta (G), colector (C) y emisor (E).
El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, del inglés Insulated Gate Bipolar
Transistor) es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como
interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia.
Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de los FET con la
capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del TBJ, combinando una puerta
aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un
solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras
que las características de conducción son como las del TBJ.
Los transistores IGBT han permitido desarrollos que no habían sido viables hasta su
aparición, en particular en los Variadores de Frecuencia así como en las aplicaciones
en maquinas eléctricas y convertidores de potencia en general.
El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 kHz y ha sustituido
al TBJ en muchas aplicaciones. Es usado en aplicaciones de alta y media energía
como fuente conmutada, control de la tracción en motores y hornos microondas.
Grandes módulos de IGBT consisten en muchos dispositivos colocados en paralelo que
pueden manejar altas corrientes del orden de cientos de amperios con voltajes de
bloqueo de 6.000 voltios.
Se puede concebir el IGBT como un transistor Darlington híbrido. Sin embargo las
corrientes transitorias de conmutación de la base pueden ser igualmente altas. En
aplicaciones de electrónica de potencia es intermedio entre los tiristores y los mosfet.
Maneja más potencia que los segundos siendo más lento que ellos y lo inverso respecto
a los primeros.
Circuito equivalente de un IGBT
Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. La tensión de
control de puerta es de unos 15 V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de
potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en Gate.
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Los IGBT son una nueva tecnología que superará a los MOSFET por encima de los
300 Volts y los 100 Amperes.
Aspecto de un IGBT con sus indicaciones de conexión