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Curso de Electrónica Analógica - Lección 3 - Los Transistores Bipolares (CUR1003S)

3.1 - La estructura del transistor

La palabra transistor deriva de "transference resistor ", un dispositivo anunciado por los investigadores, Bardeen, Brattain y Shockley, en los Estados Unidos, en los laboratorios de la Bell Telephone, en junio 1948.

El transistor original, que era del tipo "punto de contacto", pronto fue perfeccionado con la elaboración de nuevos dispositivos, muchos de los cuales hasta hoy son ampliamente utilizados en aplicaciones prácticas.

 


 

El primer transistor

El primer transistor fue inventado en los laboratorios de la Bell en el dia 16 de diciembre de 1947 por William Shockley, John Bardeen y Walter Brattain. Este transistor era un tipo "de punto de contacto" y el germanio utilizado como un material semiconductor.

 

La capacidad del transistor de amplificar las señales eléctricas permitió en poco tiempo este dispositivo, mucho más pequeño y consumir mucho menos energía, para reemplazar las viejas válvulas en la mayoría de las aplicaciones electrónicas, como el lector puede ver en la figura 1.

 

Figura 1 – Válvula comparada con un transistor de uso general
Figura 1 – Válvula comparada con un transistor de uso general

 

 

El transistor, a diferencia de las válvulas, no requiere una corriente adicional para calentarlo y es mucho más pequeño que la válvula "equivalente".

Para entender cómo funciona un transistor vamos a analizar su estructura básica, como se muestra en la figura 2.

 

 

Figura 2 – Podemos trazar dos estructuras con materiales alternados P y N
Figura 2 – Podemos trazar dos estructuras con materiales alternados P y N

 

 

Como podemos ver, para obtener una estructura equivalente a un transistor, debemos "empilar" o "formar" tres regiones semiconductoras de polaridades alternadas para que entre ellas existan dos junturas o junciones. Las regiones de semiconductor recibirán los nombres de emisor (E), base (B) y colector (C).

Podemos conseguir la estructura indicada de dos maneras diferentes, lo que nos lleva a dos tipos de transistores. Podemos formar regiones en la secuencia N-P-N o P-N-P. Para el propósito del estudio inicial, tomaremos como ejemplo una estructura NPN, es decir, un transistor NPN.

Cada una de las junciones del transistor se comporta como un diodo, pero cuando aplicamos tensiones en el dispositivo de una cierta manera y las dos junciones pueden entrar en la acción al mismo tiempo, el comportamiento de la estructura se convierte en un poco más complejo que simplemente dos diodos ligados juntos.

Para que tengamos la acción diferenciada de estas junciones, empecemos por la situación en la que el transistor se alimenta con fuentes externas de ciertas polaridades y características. En resumen, para que el transistor funcione, necesitamos "polarizarlo” convenientemente.

 

3.2 - Polarización

Polarizar un transistor es aplicar en sus terminales tensiones de las polaridades apropiadas que conducen a condiciones de funcionamientos normales.

Inicialmente haremos una polarización que sólo nos permita estudiar su funcionamiento. En la práctica, hay varias otras maneras de polarizar el transistor y vamos a estudiar en los capítulos posteriores de esta lección, e incluso otros.

Tomando nuestro transistor NPN como ejemplo, para polarizarlo conectamos una batería de tensión más grande (B2) entre el colector y el emisor, y una batería más pequeña (B1) a través de un potenciómetro en su base, como se muestra en la figura 3.

 

   Figura 3 – Polarizar el transistor
Figura 3 – Polarizar el transistor

 

 

Para que el lector entienda cómo se hace esto, comenzamos inicialmente desde la condición en que el cursor de la olla es todo al lado negativo de la batería B1, es decir, la tensión aplicada a la base del transistor es 0.

En estas condiciones, en la juntura entre la base y el emisor, que sería la ruta a una corriente de batería B1, no hay polarización y no puede fluir corriente. La corriente base del transistor es cero.

Del mismo modo, en estas condiciones la corriente entre el colector y el emisor del transistor, ruta natural a la corriente de la batería B2 es nula, como se muestra en la figura 4.

 

Figura 4 – Condición inicial en Que la corriente base es nula
Figura 4 – Condición inicial en Que la corriente base es nula

 

 

Al mover gradualmente el cursor del potenciómetro para aumentar la tensión aplicada a la base del transistor, vemos que nada es anormal hasta que alcanzamos el punto donde la barrera potencial de la juntura emisor-base del transistor es vencida. La tensión que necesitamos para empezar a conducir es la misma que hemos estudiado en el caso de los diodos.

Necesitamos aproximadamente 0,2 V si el transistor se hace de germanio, y aproximadamente 0,6 V, si el transistor es silicio. Con una tensión de esta orden, una pequeña corriente comienza a circular entre la base y el emisor. Esta corriente, sin embargo, tiene un efecto interesante sobre el transistor: una corriente también comienza a circular entre el colector y el emisor y esta corriente es proporcional a la corriente de base, como se muestra en la figura 5.

 

Figura 5 – Cambio de la corriente del colector cambiando la corriente de base
Figura 5 – Cambio de la corriente del colector cambiando la corriente de base

 

 

A medida que movemos el potenciómetro más para aumentar la corriente base, observamos que la corriente del colector del transistor aumenta en la misma proporción.

Si una corriente base de 0,1 mA causa una corriente de colector de 10 mA, decimos que el factor de ganancia o amplificación de corriente del transistor es 100 veces. La corriente del colector es 100 vez más grande que la corriente baja. La proporcionalidad entre la corriente de base y la corriente del colector no permanece en todos los rangos posibles de valores.

Hay un punto en el que un aumento de la corriente base no causa otro aumento en la corriente del colector que luego se estabiliza.

Decimos que hemos alcanzado el punto de saturación, es decir, el transistor "satura". En la figura 5 (b) tenemos un gráfico que muestra este fenómeno.

Nótese entonces que hay un estiramiento lineal de esta gráfica, que se llama "curva característica del transistor", en la cual hay una proporción directa entre la corriente base y la corriente de emisor que la causa. Los transistores comunes pueden presentar "ganancias" de corriente entre 2 y 800, dependiendo de cómo se fabriquen y el propósito al cual se destina.

Lo que hemos visto en estas explicaciones es que la corriente continua del colector de transistores consiste realmente en una corriente continua aplicada a la base que se amplifica.

Sin embargo, podemos tomar un poco más de nuestro razonamiento y analizar lo que sucede si aplicamos una corriente alterna a la base del transistor, es una señal que puede venir de un micrófono por ejemplo.

Para ello, inicialmente ajustamos el potenciómetro que polariza la base del transistor a través de B1 para que aplique una corriente que está a medio camino de la saturación, como podemos ver en la figura 6.

 

Figura 6 - Ajuste de la polarización a un punto intermedio entre el corte y la saturación
Figura 6 - Ajuste de la polarización a un punto intermedio entre el corte y la saturación

 

 

Aplicando entonces una señal sinusoidal en la base del transistor, causará variaciones de esta corriente, con el fin de aumentarla y disminuirla alrededor del valor previamente fijado. El resultado es que la corriente obtenida en el colector, también variará siguiendo la corriente base, pero en una proporción mucho mayor, porque el transistor "amplifica" la corriente. A continuación, tendremos una amplificación de la señal como se puede ver en la figura 7.

 

Figura 7 – La amplificación de una señal sinusoidal
Figura 7 – La amplificación de una señal sinusoidal

 

 

En la práctica, los circuitos de amplificación con transistores llevan componentes adicionales, tanto para limitar y establecer las corrientes en cada electrodo (terminal) del transistor, como para hacer que las señales alcancen los puntos deseados. Entonces hay reemplazos y capacitores en estos circuitos.

En la figura 8 tenemos el funcionamiento de un transistor PNP observando que la única diferencia en relación al transistor NPN está en la dirección de circulación de las corrientes y por lo tanto en la polaridad de las baterías usadas.

 

  Figura 8 – Polarización de un transistor PNP
Figura 8 – Polarización de un transistor PNP

 

 

La presencia de resistores en los circuitos con transistores nos lleva a un análisis un poco más profundo de sus aplicaciones en electrónica. Para esto vamos a tomar inicialmente el circuito que se puede ver en la Figura 9.

 

 

  Figura 9 – Polarización con los resistores
Figura 9 – Polarización con los resistores

 

 

En este circuito, la corriente en el colector está limitada por un resistor de carga o resistor de colector RC. esto resistor impide que la corriente se suba demasiado al colector del transistor al aplicar una corriente base más alta, y con eso el componente se quemará.

La corriente en la base del transistor se determina en la condición de reclinación por un resistor de la polarización de la base. Como la corriente base es mucho más pequeña que la corriente del colector, el resistor usado en la base del transistor tiene valor mucho más alto que el que está conectado con el colector.

Supongamos que la resistencia colocada para polarizar la base del transistor tiene un valor tal que la corriente que circula en el resistor de carga (Rc) provoca una caída de tensión en este componente igual a la mitad de la tensión de alimentación. Esto significa que tendremos en el colector del transistor, en la condición de la ausencia de señal, una tensión fija igual a la mitad de la tensión de alimentación, como el lector puede ver chascando encendido la figura 10.

 

  Figura 10 – La corriente base y la corriente del colector
Figura 10 – La corriente base y la corriente del colector

 

 

Cuando se aplica en la entrada del circuito, es decir, en su base, una señal sinusoidal de una pequeña intensidad, como los semiciclos positivos o negativos, habrá un aumento o una disminución de la corriente básica.

Así, en los semiciclos positivos, la corriente base aumenta, ya que tenemos la suma de la corriente de señal con la de polarización, y con eso la corriente del colector tiende a aumentar. Es como si el transistor presentara una menor resistencia entre el colector y el emisor. El resultado es que, después de este aumento en la corriente del colector, tenemos una gota de tensión en este mismo elemento.

Por otro lado, en los semiciclos negativos, la corriente base disminuye y el resultado es un aumento de la resistencia que el transistor viene a presentar entre el colector y el emisor. El tensión en este punto del circuito sube, como se muestra en la figura 11.

 

Figura 11 – Amplificación de señal
Figura 11 – Amplificación de señal

 

 

Haciendo una gráfica de lo que sucede con la corriente en la base del transistor que corresponde a la señal de entrada, y la tensión en la salida del transistor, tenemos una vista interesante, que se muestra en la figura 12.

 

Figura 12 – La inversión de fase de la señal amplificada
Figura 12 – La inversión de fase de la señal amplificada

 

 

La fase de señal de salida está opuesta a la señal de entrada. En otras palabras, cuando usamos el transistor de esta manera, amplifica una señal, pero invierte su fase. Como veremos más adelante, hay maneras de utilizar el transistor en el cual esta inversión no ocurre.

Otro punto importante a tener en cuenta, cuando hablamos de un transistor como amplificador, se refiere al tipo de ganancia que obtenemos.

Ya hemos visto que al conectar el transistor de la manera indicada, las variaciones de la corriente en la base causan variaciones mucho mayores de la corriente en el colector de transistores. Eso significa que tenemos una "ganancia" o amplificación de la corriente.

Si ahora consideramos que necesitamos una ligera variación de la tensión en la base del transistor para causar una variación de corriente suficiente para que el transistor funcione, y como el resistor del colector es más pequeño y la variación actual más alta, vemos que la tensión en el colector varía según un rango de valores mucho mayor.

Así que en esta configuración también tenemos ganancia de tensión en el sentido de que pequeñas variaciones del tensión de entrada producen variaciones más grandes de la tensión de salida.

 

3.3 – Configuraciones

La configuración básica que estudiamos es la más común, y como proporciona tanto tensión como ganancia de corriente, es la que produce mayor ganancia de potencia. Una representación simple para este ajuste se puede ver haciendo clic en la Figura 13.

 

  Figura 13 – La configuración de emisor común
Figura 13 – La configuración de emisor común

 

 

A medida que la señal entra, entre la base y el emisor, y sale entre el colector y el emisor, siendo el emisor un elemento común a la entrada y salida, decimos que se trata de una configuración de emisor común. En el dibujo se eliminan los resistores de polarización.

Como ya hemos visto, la fase de la señal de salida se invierte en relación a la fase de señal de entrada y, con eso, tenemos tanto aumento de tensión como ganancia actual, elevada.

Como características adicionales importantes que todavía tenemos que la impedancia de entrada del circuito es baja, esto significa que un circuito externo, que se aplicará la señal a un transistor en esta configuración, "ve" el transistor como si se tratara de una resistencia relativamente baja, Como el lector puede en la figura 14.

 

  Figura 14 – El transistor actúa como un resistor cuya resistencia varía con la señal de entrada
Figura 14 – El transistor actúa como un resistor cuya resistencia varía con la señal de entrada

 

 

Esta información es muy importante en un proyecto, ya que si la impedancia del circuito no es la misma que la entrada del paso en el que se encuentra el transistor, la señal no se transfiere completamente y tenemos una pérdida de potencia. Para que el transistor tenga el rendimiento máximo (o cualquier otro circuito del amplificador), la impedancia de la fuente de señal debe ser igual a la de su entrada.

Por otra parte, un paso de este tipo tiene una alta resistencia de salida o alta impedancia de salida, que también debe tenerse en cuenta en muchos proyectos. Cuando conectamos un transistor a otro, esto es, Interconectamos los transistores, veremos en el tiempo cómo se puede hacer una adaptación de estas características, llevando el circuito siempre al mejor rendimiento.

Otro ajuste muy importante que usted utiliza puede ser visto por el lector en la figura 15.

 

 

Figura 15 – Configuración de colector común o seguidor de emisor
Figura 15 – Configuración de colector común o seguidor de emisor

 

 

En esta configuración, la señal se aplica entre la base y el colector y se retira entre el emisor y el colector. El selector es entonces el elemento común a la entrada y a la salida, así que se llama el circuito de "colector común".

En él tenemos una ganancia de corriente muy alta, lo que significa que las pequeñas variaciones de la corriente básica causan variaciones mucho mayores de la corriente del emisor. Sin embargo, si tomamos en cuenta que la corriente en el emisor circula por una resistencia de carga de bajo valor, las variaciones de corriente en esta resistencia producen ligeras variaciones de tensión.

De hecho, las variaciones de tensión en la resistencia de salida son más pequeñas que las variaciones de tensión de la señal de entrada. Decimos que la ganancia de tensión es menor que 1, en este caso.

A pesar de esto, el transistor en esta configuración presenta ganancia de potencia (no demasiado alta) y otras características que son muy importantes en los proyectos electrónicos. Además, la fase de la señal de salida es la misma que la señal de entrada, o sea, no hay inversión de fase.

La impedancia de entrada de esta configuración es muy alta, mientras que la impedancia de salida es muy baja. Este ajuste también se llama "seguidor emisor".

Finalmente, tenemos la configuración mostrada en la figura 16.

 

 

Figura 16 – La configuración de base común
Figura 16 – La configuración de base común

 

 

En esta configuración, la señal se aplica entre el emisor y la base y se retira entre la base y el colector. La base es el elemento común, por lo que el nombre dado al circuito es "base común".

En la configuración de la base común tenemos una buena ganancia de tensión, pero la ganancia actual es menor que la unidad. En general, obtenemos una ganancia de potencia menor que la configuración de emisor común, pero más grande que la configuración común del colector.

No hay inversión de fase para la señal amplificada, y la impedancia de entrada es muy baja. La impedancia de salida, por otro lado, es muy alta.

En los circuitos electrónicos encontramos transposiciones tanto NPN como PNP conectadas en las tres configuraciones, dependiendo de la aplicación. En la figura 17 disponemos de transistores PNP en las tres configuraciones, observando que, lo que se revierte es sólo la polaridad de la alimentación y por lo tanto la dirección de circulación de las corrientes.

 

Figura 17 – Las configuraciones de los transistores PNP
Figura 17 – Las configuraciones de los transistores PNP

 

 

Las configuraciones que estudiamos presentan diferentes características que se dan en la siguiente tabla:

 

a) base común Impedancia baja de la entrada: 30 a 200 ohms
Impedancia de alto rendimiento: 200 K a 2 M ohms
Ganancia actual: menos de 1
Ganancia de tensión: alta
Ganancia de potencia: media
b) emisor común Impedancia media de la entrada: 500 a 2000 ohms
Impedancia de salida media: 30 k a 5 k ohms
Ganancia actual: 10 a 500
Ganancia de tensión: media
Ganancia de potencia: alta
c) coleccionista común Alta impedancia de entrada: 100 a 800 k ohms
Impedancia baja de la salida: 100 a 1000 ohms
Ganancia actual: 10 a 500
Ganancia de tensión: menos de 1
Ganancia de energía: baja

 

 

3.4 - El transistor en la práctica

Los primeros transistores eran dispositivos simples, destinados a funcionar sólo con corrientes de baja intensidad, por lo tanto casi todos iguales en las características principales.

Sin embargo, con el tiempo ha habido muchas mejoras en los procesos de fabricación que llevan a los fabricantes a producir un enorme número de tipos de transistores, capaces de operar no sólo con pequeñas intensidades de corriente, sino también con altas corrientes, lo mismo en relación con tensiones e incluso velocidades.

Así pues, para facilitar un estudio del transistor en la práctica, será apropiado dividir estos dispositivos en "familias", en las cuales las características principales permanecen.

Para las demás características, las diferencias suelen ser proporcionadas por los fabricantes en forma de hojas de datos, manuales, CD-ROM, datasheets e Internet. El Internet es especialmente interesante para la consulta, ya que puede buscar fácilmente todos los componentes de un determinado tipo, cuando ingresamos sus características o tipo.

Y como el lector va a percibir más allá de las corrientes, las tensiones y las ganancias, hay muchas otras informaciones importantes en forma de gráficos que, con el tiempo el lector aprende a interpretar.

Para que el lector tenga una idea de cómo pueden variar las características de los transbordos, baste decir que docenas de tipos son liberados diariamente Con nuevas especificaciones, las nuevas aplicaciones aumentan aún más la enorme lista de estos componentes. La lista de tipos de transistores disponibles ha superado por mucho tiempo la casa de 100 millones.

Sin embargo, en la práctica sólo unos pocos cientos pueden ser considerados " principales " para que, teniendo un buen manual, el practicante con suficiente conocimiento técnico pueda encontrar siempre uno en estos centenares, capaz de reemplazar los tipos considerados difíciles, fuera de línea, de los millones que existen por ahí. Los manuales de sustitución, o el acceso a la información sobre los transistores son muy importantes en este punto, tanto es así que hablaremos de ellos a su debido tiempo.

 

3.4.1 – Transistores de uso general

Son transistores destinados a generar o amplificar señales de pequeña intensidad y frecuencia relativamente baja. Los pequeños chips de silicio o germanio, que forman estas transistores, están encerrados en cubiertas de plástico o de metal como se muestra en la figura 18.

 

Figura 18 – Transistores de uso general
Figura 18 – Transistores de uso general

 

 

Los tres terminales que salen de estas envolturas corresponden al emisor (E), al colector (C) y a la base (B), y su identificación debe realizarse del tipo, ya que puede variar considerablemente en relación con el fabricante y la carcasa.

Tenga en cuenta la existencia de tipos extremadamente pequeños en envolturas SMD (Surface Mounting Device), de Montaje En Superficie. Son componentes soldados en las placas "por encima" y a través de las máquinas en el proceso de fabricación.

Podemos encontrar transistores de propósito general, tanto PNP y NPN, y germanio y silicio. Los transistores más modernos son el silicio, con germanio que se encuentra sólo en aparatos viejos o en aplicaciones donde las características especiales de este material pueden ser necesarias.

Para definir mejor estos transistores, podemos dar las principales características de la forma en que se encuentran en los manuales.

Ic - esta es la abreviatura de la corriente del colector. Para los transistores de propósito general tenemos un IC (máx.), es decir, corriente de colector máxima, que oscila entre 20 mA y 500 mA.

VCEO - esta sigla significa el tensión que existe entre el colector y el emisor del transistor, cuando su base está apagada. Para los Transistores de propósito general, tenemos VCEO (Max) o tensión de operación máxima entre 10 V y 80 V.

fT - esta es una abreviatura que nos dice cuál es la frecuencia máxima que el transistor puede operar, es decir, la frecuencia de transición. Vea que como la frecuencia de funcionamiento del circuito se aproxima a ft, la ganancia del transistor cae, hasta que ya no puede amplificar las señales. Para transistores de propósito general es la frecuencia puede estar entre 1 y 200 MHz. los tipos comunes de esta familia son: BC548, BC558, BC107, 2SB75, OC74, 2N2222, 2N107 etc.

 

3.4.2 – Transistores de Potencia

Se trata de transistores destinados a funcionar con corrientes intensas, pero aún con señales de baja frecuencia como los amplificadores de audio, excitan directamente a los altavoces, fuentes afinadas, conductores de motores en los controles industriales, etc.

Como las pastillas de silicio que se hacen los transistores tienden a calentarse mucho, cuando en funcionamiento, debido a la intensidad de la corriente con la que deben trabajar, se encierran en envolturas que permiten el montaje en un radiador de calor.

En la figura 19 tenemos algunos tipos de envoltorios utilizados para los transistores de potencia y también su conjunto de radiador de calor.

 

Figura 19 – Transistores de potencia
Figura 19 – Transistores de potencia

 

 

Entre el transistor y el radiador del calor, es común colocar un pequeño aislante de la mica o un plástico especial. Este aislante, aísla eléctricamente el transistor del radiador, pero permite pasar el calor generado.

Para ayudar en la transferencia del calor es también común el uso de una goma termal basada en silicio. La figura 20 muestra el montaje en un disipador.

 

  Figura 20 – Montaje del transistor en el disipador de calor
Figura 20 – Montaje del transistor en el disipador de calor

 

 

Los transistores de esta familia funcionan con las corrientes de colector máximas hasta 15 ampères. Las tensiones máximas entre el colector y el emisor en el rango de 20 v a 500 v son comunes y la frecuencia de transición para los tipos de esta familia varía entre 100 kHz, hasta cerca de 40 MHz. podemos citar como un ejemplo de transistores de potencia los TIP31, TIP32, 2N3055, BD135, BD136, AD142 BU205, etc.

 

3.4.3–Transistores de RF

En esta familia, incluimos Transistores diseñados para amplificar o generar señales de alta frecuencia, pero con pequeñas intensidades. Son transistores que operan con corrientes de baja intensidad y por lo tanto tienen pequeñas tripas, como las que se muestran en la figura 21.

 

  Figura 21 – Transistores RF
Figura 21 – Transistores RF

 

 

Los tipos modernos son sobre todo silicio, pero en los viejos aparatos y en algunas aplicaciones especiales, todavía encontramos algunos transistores de germanio. Tenga en cuenta que hay transistores que están dotadas de 4 terminales.

Así, además del colector, base y emisor encontramos un terminal conectado a la propia carcasa del transistor metálico, que sirve como blindaje.

Las tensiones de funcionamiento máximos de estos transistores están en el rango de 10 V a 30 V y las corrientes máximas no exceden el 200 mA. Las frecuencias de transición son muy altas, alcanzando valores como 1500 MHz para los transistores utilizados en los selectores TV de UHF y otras aplicaciones similares.

Lo que diferencia el modo de construcción de los diferentes transistores no es sólo la intensidad de la corriente y el calor generado. Si analizamos un transistor común veremos que la zona de juntura entre el emisor y la base y entre la base y el colector se componen como un capacitor. De hecho, hemos estudiado en la lección anterior que hay componentes (diodos varicaps) que precisamente aprovechan este hecho en su funcionamiento.

El efecto de esta capacitancia es muy importante. Llamado "parásito" en un transistor, porque en realidad no es deseable, como se muestra en el

figura 22.

 

Figura 22 – Capacitancia parásita en un transistor
Figura 22 – Capacitancia parásita en un transistor

 

 

Al conectar un transistor como amplificador, la señal aplicada debe polarizar al mismo tiempo la junción emisor-base (asumiendo la configuración de emisor común), así como "cargar" y "descargar" el pequeño capacitor parásito que existe allí. Ahora, como se tarda un cierto tiempo para esta carga y descarga, antes de que el transistor entre en funcionamiento, hay un pequeño retraso que hace que el componente algo lento.

Pero si la señal aplicada en la entrada es muy alta frecuencia, es decir, para presentar variaciones muy rápidas, el transistor no puede seguirlas, porque no hay tiempo para el capacitor formado por sus junciones para cargar y descargar. El resultado es que no tenemos las variaciones tensión previstas en la corriente de salida, es decir, el transistor no amplifica, como el lector puede observar en la figura 23.

 

  Figura 23 – Pérdidas de alta frecuencia
Figura 23 – Pérdidas de alta frecuencia

 

 

Así, al diseñar un transistor para aplicaciones a frecuencias muy altas se tiene el máximo cuidado en reducir todas las llamadas capacitancias parásitas con regiones entre las articulaciones muy pequeñas, minimizando así este efecto.

 

3.4.4 - Aplicaciones de Alta Velocidad

La velocidad máxima de funcionamiento de varios tipos de equipos electrónicos está limitada en gran medida por los efectos que estudiamos. Los microcontroladores y los microprocesadores, por ejemplo, contienen millones de transistores y la capacitancia que presentan influencia en gran medida en su velocidad de conmutación, esto es, a la velocidad que procesan las señales que corresponden a la información.

El secreto de los fabricantes para aumentar la velocidad está básicamente en la disminución de estas capacitancias, que se consigue por la elaboración de transistores cada vez más pequeños en el chip de silicio de las fichas. Sin embargo, esta disminución trae problemas adicionales que el lector sabrá en las próximas lecciones. Otro dato interesante que se debe observar cuando se analiza un transistor en la práctica, es que los portadores de carga en los materiales P son más lentos que en los materiales N. en otras palabras, los electrones son más rápidos que lo huecos.

Así que si consideramos un transistor PNP y un NPN, el NPN será más rápido, ya que la corriente debe pasar sólo por un trozo de material P, donde es más lento, a diferencia del PNP, donde debe pasar por dos regiones P. por supuesto, esto sólo es válido para la comparación entre transistores con el mismo tamaño de pastilla que se puede ver en figura 24.

 

 

Figura 24 – comparación de velocidad entre transistores NPN y PNP
Figura 24 – comparación de velocidad entre transistores NPN y PNP

 

 

 

3.5 - Tipos e identificación de terminales.

Para utilizar un transistor es esencial que sepamos para qué es un tipo particular y también cómo identificar sus terminales.

Los transmisiones de procedencia norteamericana utilizan en su codificación las siglas "2N" para distinguir de los diodos que utilizan "1N", y este acrónimo seguido de un número no nos sirve para informarnos qué tipo de transistor tenemos: si es audio, RF o potencia, ya sea NPN o PNP, ya sea germanio o silicio. (consulte el código Pro-Electrón, en la lección de los diodos de semiconductores).

Para los transistores con la indicación "2N" debe tener un manual, un disquete o un CD con los tipos principales o la información del fabricante. Otra posibilidad es acceder a esta información a través de Internet, lo cual es posible en algunos casos. Ver en la figura 99 algunos transistores "2N" con la disposición de sus terminales.

 

Figura 25 – Transistor 2N con pines
Figura 25 – Transistor 2N con pines

 

 

Para los transistores con nomenclatura europea, el mismo tipo de transistor ya da mucha información sobre lo que es. así que para la primera letra ya tenemos una indicación del material utilizado en su fabricación:

B- Silicio

A - Germanio

 

Para la segunda letra tenemos información si el transistor es audio, RF o energía:

 

C - Uso General o audio

D - Potencia

F - RF

 

Los transistores para aplicaciones profesionales tienen una tercera carta indicativa. Para los comunes, tenemos un número. Seguimos algunos ejemplos:

 

BC548 - Transistor NPN para el uso general de baja potencia o de audio

BD136 - Transistor PNP de potencia

BF254 - Transistor NPN de RF

 

Vea que esta manera de indicar que los tipos todavía no dicen si es NPN o PNP. Para estos transistores, el manual seguirá siendo necesario para identificar los terminales. En la figura 26 el lector puede ver algunas de los transistores de esta serie con la indicación de terminales.

 

Figura 26 – Transistores de nomenclatura europeos
Figura 26 – Transistores de nomenclatura europeos

 

 

 

 

Anexo - Válvulas

 

A3.1 - Una válvula diodo

Los diodos semiconductores, los LED, los diodos Zener y otros que estudiamos son componentes relativamente modernos (de hecho, variaciones de los diodos más viejos existen incluso antes de lo que podemos llamar la electrónica). De hecho, antes de estos componentes, las funciones similares se llevaron a cabo por otro tipo de componente, que aunque tienen una aplicación más limitada en nuestros días, necesitan ser estudiados.

Estos componentes pertenecen a la familia de válvulas termiónicas o simplemente válvulas.

Como ya el diodo semiconductor, será interesante volver atrás en el tiempo y, comprobar cómo componentes equivalentes fueron desarrollados que son las válvulas de diodo.

Trabajando con Thomas Edison en su laboratorio en los Estados Unidos en 1882, un investigador inglés llamado J. A. Fleming descubrió que si el interior de una lámpara (recién inventada por Edison) se colocó un segundo electrodo, como podemos ver en la figura 27, un fenómeno Interesante podría ser observado.

 

  Figura 27 – El Efecto Edison, que llevó a la creación de la válvula de diodo
Figura 27 – El Efecto Edison, que llevó a la creación de la válvula de diodo

 

 

Conectando una batería y un galvanómetro entre el electrodo y el filamento, era posible ver que una corriente circulaba cuando el electrodo era positivo en relación con el filamento, pero cuando la batería fue invertida, ninguna corriente fluyó. Fleming demostró más tarde, ya de vuelta a su laboratorio en Inglaterra Ese dispositivo consistió en un camino de mano-única a la electricidad (apenas como lo estudiamos para el diodo del semiconductor).

Fleming patentó su nuevo dispositivo el 16 de noviembre de 1904, llamándolo de "válvula de dos elementos "(Diodo), indicando que para la función de rectificar las corrientes eléctricas (tema que se acercará más intensamente en este curso).

La explicación para el comportamiento del dispositivo es simple: cuando el filamento es calentado, los electrones de su material son expelidos, formando en su parte posterior una "nube", llamada "carga del espacio".

Si el electrodo colocado dentro de la bombilla es positivo en relación al filamento, extrae los electrones de esa nube, estableciendo así una corriente.

Por otro lado, si el electrodo es negativo en relación al filamento, entonces repele los electrones y ninguna corriente puede fluir a través del dispositivo, como se muestra en la figura 28.

 

Figura 28 – La corriente en la válvula de diodo
Figura 28 – La corriente en la válvula de diodo

 

 

Más adelante esta estructura fue refinada con la colocación de un electrodo adicional que fue calentado por el filamento para proporcionar los electrones. Esto resultó en la existencia de dos tipos de válvulas de diodo que se muestran haciendo clic en la figura 29.

 

Figura 29 – Tipos de válvulas de diodo
Figura 29 – Tipos de válvulas de diodo

 

 

En (a) disponemos de una válvula de diodo de calefacción o calentamiento directo en la que el filamento sirve para calentar el sistema y emitir electrones.

En (b) tenemos la válvula de diodo de calefacción indirecta en la cual tenemos 3 elementos: filamento para calentar el sistema, el cátodo para emitir los electrones y el ánodo o placa que sirve para "capturar" los electrones emitidos.

Las válvulas de diodo se pueden encontrar hasta hoy en día en radios antiguas, televisores, equipos de sonido, etc. Sin embargo, como el lector puede observar estos componentes tienen algunas desventajas en relación con los componentes modernos basados en semiconductores.

Además de necesitar ser calentada para funcionar, así requiriendo el gasto de una buena cantidad de energía, son grandes, necesitando una buena ventilación. Sin embargo, algunos especialistas en sonido de la alta calidad, dicen que la calidad de sonido obtenida de un amplificador la válvula es todavía mejor que la obtenida por los dispositivos modernos del semiconductor.

 

 

A 3.2 - La Válvula Triodo

De la misma manera que los diodos semiconductores tienen un viejo "equivalente" que es la válvula de diodo, podemos decir que los transistores también tienen un "pariente" distante en términos de componente, cuyo comportamiento se asemeja a su acción del amplificador.

Debemos observar, sin embargo, que la relación del transistor con la válvula no va más allá del hecho de que los dos pueden generar señales o amplificar y que Tienen tres terminales básicos. Como en la válvula la corriente pasa a través del vacío y en el transistor a través de un medio sólido, que es material del semiconductor, es común encontrar las referencias a los transistores y a los diodos como "dispositivos de estado sólido".

La válvula Triodo Se presentó cuando se colocó un tercer elemento dentro de una válvula de diodo. Como estudiamos en la lección anterior, la válvula de diodo establece un flujo de electrones entre el cátodo y el ánodo cuando el ánodo es positivo en relación al cátodo, y sin embargo un filamento calienta el cátodo de modo que haya la emisión de electrones. Lo mostramos en la figura 30.

 

Figura 30 – La corriente en una válvula de diodo
Figura 30 – La corriente en una válvula de diodo

 

 

Si entre estos dos elementos ponemos una especie de rejilla metálica, a través de la cual los electrones pueden pasar, vemos que aplicando tensión en esta cuadrícula podemos controlar el flujo de estos electrones.

Por lo tanto, si la rejilla es polarizada negativamente, es, con una tensión negativa en relación con el cátodo, los electrones serán repelidos por la rejilla y no pueden llegar al ánodo, como el lector puede ver en la figura 31.

 

Figura 31 – A Triodo en el corte
Figura 31 – A Triodo en el corte

 

 

En estas condiciones, la corriente que circula entre el cátodo y el ánodo es prácticamente nula. Si la tensión en la rejilla es positiva, los electrones serán atraídos y pasarán hacia el ánodo, con la producción de una corriente intensa como se muestra en la figura 32.

 

Figura 32 – Una válvula Triodo en la conducción
Figura 32 – Una válvula Triodo en la conducción

 

 

Se comprueba que, dependiendo de la tensión aplicada a la rejilla de esta válvula, podemos controlar la intensidad de la corriente entre el ánodo y el cátodo.

Una variación pequeña del tensión en la rejilla de la válvula produce una variación grande de la corriente del ánodo, que caracteriza una "amplificación".

Vea, sin embargo, que a diferencia del transistor en el que las variaciones de corriente producen variaciones de corriente, como un amplificador de corriente, la válvula triodo produce variaciones de corriente a partir de una variación de tensión, es decir, es un amplificador de tensión típico.

En la figura 33 tenemos el símbolo utilizado para representar una válvula Triodo y también la polarización de la válvula que normalmente se hace conectando un resistor entre la rejilla y la tierra.

 

Figura 33 – Válvula Triodo – Aspecto y símbolo
Figura 33 – Válvula Triodo – Aspecto y símbolo

 

 

Con la conexión de un segundo resistor en el cátodo, lo hacemos más positivo que la rejilla, es decir, con la rejilla siendo "más negativa" y así las variaciones de la tensión aplicada a la entrada se traducirán en variaciones de la corriente de salida o incluso la tensión en un resistor conectado al ánodo. En la figura 34 tenemos la polarización de una válvula triodo.

 

 

  Figura 34 – Polarización de una válvula Triodo
Figura 34 – Polarización de una válvula Triodo

 

 

Es interesante notar que mientras que los transistores necesitan solamente unos pocos volts para funcionar, las válvulas necesitan altas tensiones para esto.

Es común utilizar tensiones entre 100 V y 500 V en el ánodo de una válvula Triodo Para que pueda funcionar, sin hablar de lo que necesitamos para calentar su filamento.

 


 

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