El transistor bipolar principios y aplicaciones

Los transistores son componentes semiconductores que tienen 3 terminales (patillas), que se denominan emisor (E), colector (C) y base (B). Cada una de las patillas estn conectadas internamente a un bloque de material semiconductor, que puede ser de tipo N o P

El transistor fue descubierto, o inventado, en 1948 par John Bardeen, Wolter H. Brattain y William Shockley {Premio Nobel de Fsica en 1956).

La funcin del transistor es amplificar, una corriente de entrada dbil y la convierte en una seal mucho mayor en la salida

Aparecen dos tipos de transistores bipolares: los NPN y los PNP que se muestran su simbologa en la figura 1.1

Figura 1.1 Simbologa del transistor bipolar

Transistor NPN

La constitucin fsica del transistor bipolar NPN (el mas usual de todos) se basa en dos zonas de material tipo N separadas por una zona de material tipo P

La zona de material N del colector es la mas gruesa de las tres y la base es la mas fina.

La zona del emisor es la mas dopada de las tres, o sea, la mas rica en portadores de carga mayoritarios (electrones). El nombre de emisor es debido a que es de donde parte, se emite, la fuente de electrones que da lugar a la corriente de salida del transistor

La zona de la base es la menos dopada y mas fina de las tres y es la que permite el control de la corriente de salida

La zona del colector esta medianamente dopada y es la mas gruesa, es donde recibe la corriente del emisor y donde se disipa mas potencia.

Funcionamiento resumido del transistor

Como se observa en la formacin fsica del transistor NPN (como se muestra en la figura 1.2), entre la base y el emisor aparece la configuracin de un diodo; es una unin P-N. O sea, entre las patillas base y emisor, tendremos un comportamiento elctrico como un diodo normal.

Si se polariza directamente, aplicando una tensin positiva en la base con respecto al emisor, aparecer una cada directa tpica de unos 0,7 V y circulara una pequea corriente llamada corriente base

Figura 1,2 constitucion fisica del transistor bipolar (tipo NPN)

Dicha corriente de base har que por el emisor se emita un flujo electrnico que se dirigir, en principio, hacia la base; pero debido a que el espesor de la base es muy fino y poco dopado ( tiene pocos huecos y pocas posibilidades para que se recombinen electrones), solo unos pocos electrones del emisor se pueden recombinar con los huecos de la base; la mayora de electrones que salen del emisor atraviesan la base y entran en la zona del colector, dando lugar a la corriente de colector.

Este efecto transistor se produce porque el espesor de la base es muy fino y poco dopados ( tiene pocos huecos), y adems porque la tensin positiva del colector es bastante alta que la tensin de la base; por ello los electrones, entre que tienen pocas posibilidades de recombinarse con los huecos de la base y se encuentran un potencial positivo ms alto en el colector, prefieren atravesar la fina zona de la base y dirigirse hacia el positivo del colector. Este efecto inesperado es el efecto de transistor; lo que en 1948 descubri John barden, Walter H. Brattain y William Shockley

El Transistor PNP

El transistor PNP, las polaridades de la zonas de material semiconductor estn intercambiadas; el emisor y el colector son tipo P y la base tipo N. Por ello los portadores de carga mayoritarios los que emite el emisor, son huecos en vez de electrones esto hace que la corrientes y tensiones en transistor PNP sean opuestos a la del NPN.

Ejemplos de aplicaciones del Transistor

Por el efecto de amplificacin del transistor adems de su aplicacin en amplificadores de sonidos, en radio y TV, permite realizar otras muy diversas aplicaciones tanto en equipos de consumo como industriales (generadores de seal, regulacin y control, circuito de alarma, ordenadores, etc) una muestra de ejemplo de aplicaciones se muestra a continuacin

Amplificador de sonido

La aplicacin tpica es el amplificador de sonido, tanto como equipo de msica como de instrumentos musicales (guitarra, bajo, de voces) lo cual se representa en la figura 1.3)

Figura 1.3 Representacin de un equipo de sonidoEquipo de radio y TV

En los equipos de radio y TV y en telecomunicacin en general, su aplicacin resulta imprescindible sea como componente suelto o en forma de circuitos integrados

Control industrial

Una aplicacin bastante diferente se representa en la figura 1.4, en este caso se trata del control de cargas de cierta, como el control del motor de un ascensor alimentado con la red elctrica. La conexin y desconexin del motor se realiza mediante un componente electromecnico que se llama contacto.

Figura 1.4 circuito integrado aplicado a la industriaComprobaciones del transistor con el polimetro

Debido a que el transistor se compone de dos uniones P-N una entre el emisor y la base y la otra entre la base y el colector, esta da lugar a una estructura que forman 2 diodos en serie en contraposicion.

Pero debe quedar muy claro que 2 diodos montados de esa forma no crean un transistor, debido a que los espesores y niveles de dopado de las zonas N y P son como tienen que ser. Pero esta similitud de circuito nos sirve para comprender las tensiones y corrientes que se pueden dar entre las patillas y sobre todo para saber comprobar los transistores con el polimetro. Verificacion de las uniones colector-base y emisor-base

SI el transistor es NPN, todo con la punta roja (+) del polimetro entre la patilla base y con la punta negra (-) en el emisor o colector; en el display del polimetro tiene que aparecer un valor de 0,65 (650mV), que es la caida directa de la union. Obviamente si apareciera un valor 0 o de alta resistencia es porque la union esta cortocircuitada o abierta; en cualquier caso el transistor estaria averiado.

Despues se repite la prueba invirtiendo en la puntas de prueba (punta negra en la base) para verificar que la uniones no conducen en polarizacion invertida; si el resultado de la prueba anterior a sido normal, el resultado que aprezca en el display del polimetro tiene que ser de circuito abierto como si las puntas estuvieran sin tocar nada (al aire) si no es asi puede haber figuras en polarizacion inversa y el transistor estar mal.

Verificacion entre colector y emisor

Como segundo paso de la prueba comprobamos que entre las patillas colector y emisor no condizcan nada; y lo hacemos en las dos polaridades de puntas de prueba, en el display tiene que salir el simbolo de no conductor, el equivalente a que las puntas estuvieran al aire sin tocar nada. Y hay que tener en cuenta cuando se hace la prueba, que si tocamos con un dedo la patilla base puede aparecer una pequea conduccion colector-emisor que puede interpretarse como de fugas averia; cuando lo unico que ocurre es que a travez del dedo con que se toca en la patilla base le aplicamos a la base una pequea corriente y esto hace que aparezca por el efecto de amplificacion una corriente colectoy y un emisor.

Este efecto se da cuando las puntas de prueba quedan con el positivo en el colector y el negativo en el emisor (si es un NPN) ; de esta manera el transistor queda polarizado para poder amplificar la corriente de base.

Las fugas (corrientes bajas en polarizacion inversa) en segn que aplicaciones, puede hacer que el circuito vaya mal. Podemos saber si hay fugas poniendo el polimetro en en la escala de alta sensibilidad ( x1000 o mas) esto nos podria detectar posibles fugas entre colector y emisor; idealmente la resistencia entre colector emisor deberia ser infinita, en la practica muy grande (casi indetectable); si aparece una resistencia sospechosamente baja, el transistor puede tener fuga y es mejor sustituirla por otro.

Aplicacin prctica del transistorPolarizar el transistor es aplicarle unas determinadas tensiones y corrientes adecua das al tipo de aplicacion que se le vaya a dar. De una forma general y sencilla, en un NPN, se necesita aplicar una tension positiva entre colector y emisor, y una corriente en la patilla base (que permitira el control de la corriente de colector-emisor).En general, se necesita polarizar de forma directa la union base-emisor, para que circule una cierta corriente de base (que normalmente es muy pequea, A o mA); y esta es la corriente de entrada que dara lugar a una corriente entre colector-emisor (la corriente de salida), que procedera de la fuente de alimentacion.

El circuito fundamentral: montaje en emisor comn

La aplicacion mas comun, la mas conocida, se llama montaje en emisor comun. En la figura 1.5 se muestra un circuito practico de ejemplo, basado en un transistor NPN, que nos sirve para su estudio .Aparecen dos fuentes de tension;una que se aplica entre el circuito de colecto y emisor, y otra para polarizar la union base-emisor de forma directa (y que pueda asf circular una determinada corriente de base).

Figura 1.5 circuito de polarizacin bsica del transistorFactor de amplificacin del transistor

Como ya se debe saber, el efecto transistor consiste en que una pequea corriente de base da lugar a una corriente de colector que puede ser mucho mayor; se produce un efecto de amplificacin.

Bsicamente, dependiendo del tipo de transistor, este factor puede ser mayor o menor y se representa por el smbolo ().

El circuito amplificador lineal bsico En general, cuando se trata de seales variables, estas se representan por letras minsculas; por ello, en este caso, las seales de colector (tensin o corriente) se han puesto coma vc e ic Esto se hace para diferenciar las corrientes o tensiones fijas de polarizacin (que se representan por maysculas) de las seales que se procesan.Intensidades y tensiones en el transistor

La intensidad que se considera de salida es la de colector (aunque hay aplicaciones donde la corriente de salida es la de emisor) que, segn el sentido convencional de la corriente, circulara de colector a emisor (transistor NPN, polaridad positiva en el colector). La pequea corriente de base har que, de alguna manera, entre colector y emisor la resistencia se reduzca y la tensin Vcc (aplicada entre el circuito colector y emisor) pueda dar lugar a una determinada magnitud de corriente.Es muy importante saber que las variaciones de corriente aplicada s en la base se manifiestan de forma amplificada en la corriente de colector.

Por el terminal emisor circula la corriente de base y tambin la de colector; podemos ver este terminal como un nudo donde concurren estas dos corrientes.El transistor polarizado efecto de amplificacin Al polarizarse el transistor en su zona activa, la mayora de electrones que salen del emisor son captados por el colector (mas de 99 %) y solo unos pocos electrones (menos del 1%) se pueden recombinar en la base.

La intensidad de base es muy pequea, pero controla un flujo grande de electrones que constituye la intensidad de colector; cualquier variacin en la corriente de base se transmite a la corriente de colector (si el transistor esta polarizado en su forma activa).Este efecto de amplificacin, "efecto transistor", solo aparece si la fabricacin de las uniones de las materiales semiconductores (N y P) es como tienen que ser:

La zona de la base tiene que ser muy fina en (comparacin con las otras) y con bajo nivel de dopado, para que las electrones que salen del emisor tengan pocas posibilidades de que se puedan recombinar con los huecos de la base.

La zona del emisor tiene que estar fuertemente dopada para que disponga de muchos portadores de carga (electrones), es la fuente emisora de la corriente (por eso se llama emisor).

El colector tiene que tener un espesor algo mayor que el emisor, y estar medianamente dopado; en el colector es donde se recoge la mayora de electrones que salen del emisor, es donde se "recolecta" la corriente de salida.Polarizacin activa. Amplificacin lineal

Como resumen sobre la polarizacin y aplicacin practica del transistor BJT como amplificador lineal (tambin se denomina polarizado en su zona activa) tenemos:

Unin base colector es Polarizacin inversa

Unin base emisor es Polarizacin directa

El transistor operando en conmutacin

Cuando el transistor se hace funcionar en conmutacin, el transistor puede tomar dos estados de polarizacin, que se llaman:

Corte (o bloqueo)

SaturacinUn circuito bsico general que trabaja en conmutacin, cuyo objetivo es comprender el comportamiento del transistor cuando se utiliza de esta manera, lo cual es muy importante porque su aplicacin es fundamental; as es como opera el transistor en los circuitos digitales.

Estado de Corte

El transistor se encuentra en estado de corte, tambin llamado de bloqueo, cuando no circula corriente de colector, debido a que la base no esta polarizada

En dicho estado, en las aplicaciones practicas, en el colector se mide una tensin muy prxima a la tensin de alimentacin ( Vcc); ya que al no circular corriente de colector tampoco se produce cada de tensin en la resistencia Rc.Estado de Saturacin

Se dice que el transistor est en estado de saturacin, cuando la intensidad de colector es mxima; no aumenta ms aunque se aumente la intensidad de base.Circuitos prcticos con transistores

Control de encendido de un LED

El circuito mas sencillo de todos para empezar a utilizar prcticamente el transistor es el que se muestra en la figura 1.6, Se trata de un circuito mediante el cual se puede encender y apagar un LED mediante un pulsador o interruptor. Como resulta obvio, para hacer esto no hace falta utilizar un transistor, pero esto nos vale para empezar a manejar el transistor y hacer medidas de tensiones y corrientes.

Figura 1.6 Circuito donde transistor trabaja como conmutadorAmplificador para emitir seales acsticas. Circuito DarlingtonResulta muy til para emitir seales acsticas mediante seales binarias, que son las generadas por circuitos que operan en conmutacin, por ejemplo los sistemas digitales. Es la forma mas sencilla de emitir sonidos, con una cierta potencia sonora. Sonidos de este tipo los emiten el altavoz interno del ordenador, relojes, algunas alarmas, etc.Este simple circuito amplificador, como es obvio, opera en conmutacin. Se utilizan dos transistores formando un montaje que se llama circuito Darlington, con el cual se consigue una muy alta ganancia de corriente.El circuito Darlington es un montaje que se realiza con dos (o mas) transistores, de manera que la corriente de emisor del transistor de entrada constituye la corriente de base del transistor de salida. Los dos transistores se comportan como si fuera un solo transistor pero con una ganancia de corriente que equivale al producto de la ganancia de los dos.Estudio del transistor en amplificador lineal

De forma resumida, el transistor trabaja en su zona activa, o lineal, cuando:

La unin colector-base se polariza de forma inversa

La unin base-emisor se polariza de forma directa

La tensin entre colector y emisor (Vce ) es de alrededor de la mitad de la tensin de alimentacin (Vcc)

En este estado de polarizacin, el transistor puede operar como amplificador lineal; las pequeas variaciones de tensin de la seal de entrada (de un micrfono, por ejemplo) hacen que vari la corriente de base del transistor, y dichas variaciones se transfieren al colector con una amplitud que puede ser mucho mayor. Esto es debido al factor de amplificacin del transistor; las muy pequeas variaciones de corriente de base se manifiestan en la corriente de colector multiplicadas por el factor

Y las variaciones de la corriente de colector, a su vez, dan lugar a variaciones de la tensin de colector; esto es la tensin (seal) de salida.

La ganancia total de seal del circuito depende de algunos valores de los componentes