Guía de electrónica

Objetivos

• 1) Reconocer los aspectos técnicos de los transistores.

• 2) Realizar análisis de los transistores en relación a su operación.

• 3) Realizar un trabajo de análisis técnico responsable.

Actividades

• 1) EL PROFESOR INDICARÁ INFORMACION ANEXA A ESTA GUÍA DE ACUERDO A TUS CONSULTAS.

• 2) DEBES TRABAJAR EN GRUPOS DE TRES COMPAÑEROS.

• 3) RECUERDA QUE PUEDES SE INTERROGADO AL FINAL DE LA CLASE, DEL TEMA TRATADO.

• 4) EN ESTE CASO, INGRESAS TUS RESPUESTAS A TU CUADERNO, PARA POSTERIOR REVISIÓN.

Cuestionario

C-1) REALICE UN ESQUEMA (SIMBOLOGIA) DE UN TRANSISTOR BJT Y FET.

C-2) ¿ QUÉ FUNCIONES IMPORTANTES ES CAPAZ DE REALIZAR UN TRANSISTOR ?.

C-3) ¿Qué SIGNIFICAN EN ESPAÑOL LAS SIGLAS BJT Y FET?

C-4) ¿ QUE DIFERENCIAS DE OPERACIÓN EXISTEN ENTRE UN TRANSISTOR NPN Y UNO PNP?.

C-5) ¿ REALICE UN CIRCUITO SENCILLO DONDE SE INDIQUE COMO OPERA EL TRANSISTOR EN ESE CASO ESPECIFICO.

C-6) ¿EN QUE CASOS SE USAN LOS TRANSISTORES BJT Y FET?.

C-7) ¿QUÈ SIGNIFICA EL TERMINO ß EN RELACIÒN A LOS TRANSISTORES?.

C-8) ¿Qué SIGNIFICAN LAS REGIONES DE CORTE , SATURACIÒN Y ACTIVA EN RELACIÒN A LA OPERACIÒN DE TRANSISTORES BJT?.

C-9) HAGA EL ESQUEMA DE UN TRANSISTOR DARLINGTON Y EXPLIQUE CUAL ES SU CARACTERISTICA Y VENTAJA.

C-10) INDIQUE LOS USOS DE LOS TRANSISTORES DE ACUERDO A SUS ENCAPSULADOS. APRÉNDASE LOS ENCAPSULADOS DE MEMORIA YA QUE SERÁ EVALUADO EN TEST ESCRITO A INDICAR EN SU MOMENTO.

C-11) SEÑALA 5 VENTAJAS DEL TRANSISTOR FET EN RELACIÒN A LOS TRANSISTORES BJT.

C-12) CUALES SON LOS PASOS SECUENCIALES PARA SABER LA DESIGNACIÓN DE LOS PINES DE UN TRANSISTOR. SEÑALA EN FORMA PRECISA LOS PASOS A SEGUIR EN ESTE PROCESO DE MEDICIÓN.

ESPERO QUE LOGRES EL OBJETIVO PLANTEADO Y TE DIVIERTAS CON LA ELECTRÓNICA APLICADA A SISTEMAS AUTOMOTRICES.

Transistor bipolar o BJT

Regiones operativas y configuraciones

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 gráfico 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.

El transistor bipolar es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si le introducimos 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.

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. Ver figura.

En el segundo gráfico las corrientes de base (Ib) son ejemplos para poder entender que a más corriente la curva es más alta

Regiones operativas del transistor

– 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, ver 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 máxima)

En este caso la magnitud de la corriente depende del voltaje de alimentación del circuito y de los resistores conectados en el colector o el emisor o en ambos, ver ley de Ohm.

– 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 ß (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.

Configuraciones del transistor bipolar

Hay tres tipos de configuraciones típicas en los amplificadores con transistores, cada una de ellas con  características especiales que las hacen mejor para cierto tipo de aplicación. y se dice que el transistor no está conduciendo. Normalmente este caso se presenta cuando no hay corriente de base (Ib = 0)

– Amplificador emisor común- Amplificador colector común- Amplificador base común

Nota: Corriente de colector y corriente de emisor no son exactamente iguales, pero se toman como tal, debido a la pequeña diferencia que existe entre ellas, y que no afectan en casi nada a los circuitos hechos con transistores.

Transistor Darlington

Estructura interna, configuración de patillas, ganancia de corriente

El transistor Darlington es un tipo especial de transistor que tiene una alta ganancia de corriente.

Está compuesto internamente por dos transistores bipolares que se conectan es cascada. Ver la figura.

El transistor T1 entrega la corriente que sale por su emisor a la base del transistor T2.

Se utilizan ampliamente en circuitos en donde es necesario controlar cargas grandes con corrientes muy pequeñas.

Muy importante:La caída de tensión entre la base y el emisor del transistor Darlington es 1.4 voltios que resulta de la suma de las caídas de tensión de base a emisor del primer transistor B1 a E1 (0.7 voltios) y base a emisor del segundo transistor B2 y E2 (0.7 voltios).

El Transistor Darlington: dos transitores en cascada

Transistor Bipolar (BJT) como interruptor

Cuando un transistor se utiliza en un circuito, el comportamiento que éste tenga dependerá de sus curvas características.

En el diagrama que se presenta hay varias curvas que representan la función de transferencia de Ic (corriente de colector) contra VCE (tensión colector – emisor) para varios valores de Ib (corriente de base).

Cuando el transistor se utiliza como amplificador, el punto de operación de éste se ubica sobre una de las líneas de las funciones de transferencia que están en la zona activa. (las líneas están asi horizontales).

Transistor en corte y saturación

Cuando un transistor se utiliza como interruptor o switch la corriente de base debe tener un valor para lograr que el transistor entre en corte y otro para que entre en saturación

– Un transistor en corte tiene una corriente de colector (Ic) mínima (prácticamente igual a cero) y un voltaje colector emisor VCE) máximo (casi igual al voltaje de alimentación). Ver la zona amarilla en l gráfico

– Un transistor en saturación tiene una corriente de colector (Ic) máxima y un voltaje colector emisor (VCE) casi nulo (cero oltios). Ver zona en verde en el gráfico

Para lograr que el transistor entre en corte, el valor de la corriente de base debe ser bajo o mejor aún, cero.

Para lograr que el transistor entre en saturación, el valor de la corriente de base debe calcularse dependiendo de la carga que se esté operando entre encendido y apagado (funcionamiento de interruptor)

Si se conoce cual es la corriente que necesita la carga para activarse (se supone un bombillo o foco), se tiene el valor de corriente que habrá de conducir el transistor cuando este en saturación y con el valor de la fuente de alimentación del circuito, se puede obtener la recta de carga. Ver gráfico anterior.

Esta recta de carga confirma que para que el transistor funcione en saturación, Ic debe ser máximo y VCE mínimo y para que esté en corte, Ic debe ser el mínimo y VCE el máximo. *

Encapsulados de transistores y otros semiconductores

Los transistores bipolares, triacs, Tiristores,  y otros tipos vienen en muchas presentaciones o encapsulados y estos vienen ligado al tipo de aplicación en que se les va a utilizar.

Cada transistor tiene impreso en el cuerpo del mismo, el tipo de transistor que es, siendo así muy fácil poder encontrar sus características técnicas en un manual como el ECG o NTE.

En estos manuales también se pueden encontrar transistores de características similares o muy parecidas a los que se los llama "equivalentes"

Entre los encapsulados están: (hay más)

– El TO-92: Este transistor pequeño es muy utilizado para la amplificación de pequeñas señales. La asignación de patitas (emisor -  base – colector) no está estandarizado, por lo que es necesario a veces recurrir a los manuales de equivalencias para obtener estos datos.

– El TO-18: Es un poco más grande que el encapsulado TO-92, pero es metálico. En la carcasa hay un pequeño saliente que indica que la patita más cercana es el emisor. Para saber la configuración de patitas es necesario a veces recurrir a los manuales de equivalencias.

– El TO-39: tiene le mismo aspecto que es TO-18, pero es mas grande. Al igual que el anterior tiene una saliente que indica la cercanía del emisor, pero también tiene la patita del colector pegado a la carcasa, para efectos de disipación de calor.

El TO-126: Se utiliza mucho en aplicaciones de pequeña a mediana potencia. Puede o no utilizar disipador dependiendo de la aplicación en se este utilizando.Se fija al disipador por medio de un tornillo aislado en el centro del transistor. Se debe utilizar una mica aislante

– El TO-220: Este encapsulado se utiliza en aplicaciones en que se deba de disipar potencia algo menor que con el encapsulado TO-3, y al igual que el TO-126 debe utilizar una mica aislante si va a utilizar disipador, fijado por un tornillo debidamente aislado.

El TO-3: este encapsulado se utiliza en transistores de gran potencia. Como se puede ver en el gráfico es de gran tamaño debido a que tiene que disipar bastante calor. Está fabricado de metal y es muy normal ponerle un "disipador" para  liberar la energía que este genera en calor.Este disipador no tiene un contacto directo con el cuerpo del transistor, pues este estaría conectado directamente con el colector del transistor (ver siguiente párrafo). Para evitar el contacto se pone una mica para que sirva de aislante y a la vez de buen conductor térmico.

El disipador de fija al transistor con ayuda de tornillos adecuadamente aislados que se introducen el los orificios que estos tienen. (ver figura a la derecha).

En el transistor con encapsulado TO-3 el colector esta directamente conectado al cuerpo del mismo (carcasa), pudiendo verse que sólo tiene dos pines o patitas.

Estas patitas no están en el centro del transistor sino que ligeramente a un lado y si se pone el transistor como se muestra en la figura, al lado izquierdo estará el emisor y la derecha la base.

Transistores de efecto de campo (FET)

1.6- Transistor de efecto de campo (FET)

Los transistores de efecto de campo o FET (Field Effect Transistor) son particularmente interesantes en circuitos integrados y pueden ser de dos tipos: transistor de efecto de campo de unión o JFET y transistor de efecto de campo metal-óxido semiconductor (MOSFET).

Son dispositivos controlados por tensión con una alta impedancia de entrada (1012 ohmios).

Ambos dispositivos se utilizan en circuitos digitales y analógicos como amplificador o como conmutador. Sus caracterísitcas eléctricas son similares aunque su tecnología y estructura física son totalmente diferentes.

Ventajas del FET

1) Son dispositivos controlados por tensión con una impedancia de entrada muy elevada (107 a 1012 ohmios).2) Los FET generan un nivel de ruido menor que los BJT.3) Los FET son más estables con la temperatura que los BJT.4) Los FET son más fáciles de fabricar que los BJT pues precisan menos pasos y permiten integrar más dispositivos en un CI.5) Los FET se comportan como resistencias controlados por tensión para valores pequeños de tensión drenaje-fuente.6) La alta impedancia de entrada de los FET les permite retener carga el tiempo suficiente para permitir su utilización como elementos de almacenamiento.7) Los FET de potencia pueden disipar una potencia mayor y conmutar corrientes grandes.

Desventajas que limitan la utilización de los FET

1) Los FET presentan una respuesta en frecuencia pobre debido a la alta capacidad de entrada.2) Los FET presentan una linealidad muy pobre, y en general son menos lineales que los BJT.3) Los FET se pueden dañar debido a la electricidad estática.En este apartado se estudiarán brevemente las características de ambos dispositivos orientadas principalmente a sus aplicaciones analógicas.

FET (Field Effect Transistor)

FET: Transistor de efecto de campo, curva característica, resistencia del canal

El FET es un dispositivo semiconductor que controla un flujo de corriente por un canal semiconductor, aplicando un campo eléctrico perpendicular a la trayectoria de la corriente.

El FET está compuesto de una parte de silicio tipo N, a la cual se le adicionan dos regiones con impurezas tipo P llamadas compuerta (gate) y que están unidas entre si. Ver la figura

Los terminales de este tipo de transistor se llaman Drenador (drain), Fuente (source) y el tercer terminal es la compuerta (gate) que ya se conoce. La región que existe  entre el drenador y la fuente y que es el camino obligado de los electrones se llama "canal". La corriente circula de Drenaje (D)  Fuente (S). Ver el gráfico.

Este tipo de transistor se polariza de manera  diferente al transistor bipolar. El terminal de drenaje se polariza positivamente con respecto al terminal de fuente (Vdd) y la compuerta o gate se polariza negativamente con respecto a la fuente (-Vgg).

A mayor voltaje -Vgg, más angosto es el canal y más difícil para la corriente pasar del terminal drenador (drain) al terminal fuente o source. La tensión -Vgg para la que el canal queda cerrado se llama "punch-off" y es diferente para cada FET.

El transistor de juntura bipolar es un dispositivo operado por corriente y requieren que halla cambios en la corriente de base para producir cambios en la corriente de colector. El FET es controlado por tensión y los cambios en tensión de la compuerta (gate) a fuente (Vgs) modifican la región de rarefacción y causan que varíe el ancho del canal.

La curva característica del FET

Este gráfico muestra que al aumentar el voltaje Vds (voltaje drenador – fuente), para un Vgs (voltaje de compuerta) fijo, la corriente aumenta rápidamente (se comporta como una resistencia) hasta llegar a un punto A (voltaje de estricción), desde donde la corriente se mantiene casi constante hasta llegar a un punto B (entra en la región de disrupción o ruptura), desde donde la corriente aumenta rápidamente hasta que el transistor se destruye.

Si ahora se repite este gráfico para más de un voltaje de compuerta a surtidor (Vgs), se obtiene un conjunto de gráficos. Ver que Vgs es "0" voltios o es una tensión de valor negativo.Si Vds se hace cero por el transistor no circulará ninguna corriente. (ver gráficos a la derecha)

Para saber cual es el valor de la corriente se utiliza la fórmula de la curva característica de transferencia del FET.Ver gráfico de la curva característica de transferencia de un transistor FET de canal tipo P en el gráfico inferior.

La fórmula es: ID = IDSS (1 – [Vgs / Vgs (off)] )

donde:- IDSS es el valor de corriente cuando la Vgs = 0- Vgs (off) es el voltaje cuando ya no hay paso de corriente entre drenaje y fuente (ID = 0)- Vgs es el voltaje entre entre la compuerta y la fuente para la que se desea saber ID

Resistencia del canal RDS

Como Vgs es el voltaje que controla el paso de la corriente ID (regula el ancho del canal), se puede comparar este comportamiento como un resistor cuyo valor depende del voltaje VDS. Esto es sólo válido para Vds menor que el voltaje de estricción (ver punto A en el gráfico).

Entonces si se tiene la curva característica de un FET, se puede encontrar La resistencia RDS con la siguiente fórmula: RDS = VDS / ID

Los símbolos del FET son:

Autor:

Pablo Turmero