TRANSISTOR

El desarrollo tecnológico del siglo XX en cuanto a telecomunicaciones, informática y automatización no hubiese sido posible sin haber sido inventado este pequeño dispositivo. Televisores, radios, ordenadores, electrodomésticos, maquinarias varias y hasta juguetes lo usan de una u otra forma.

Es un componente electrónico de tres terminales capaz de controlar la corriente que pasa entre dos de los terminales mediante la corriente que pasa por el tercero.

Los transistores tienen dos tipos de funciones:De amplificación de una señal.Como interruptor controlado por corriente eléctrica.

Tipos de transistores: BJT (Bipolar Juction Transistor – Transistor de unión bipolar), es el que vamos a usarFET (Field Effect Transistor – Transistor de efecto campo) Es poco relevanteCMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor – Semiconductor metal óxido complementario). Es el transistor básico usado en la construcción de microchips.

Funcionamiento de un transistor1. CORTE

Por la base (B) no entra ningún electrón, por tanto, no se produce circulación de electrones entre el colector y el emisor. Decimos que el transistor está en corte y que el colector y el emisor están aislados.

2. ZONA ACTIVA

Algunos electrones se introducen por la base. En este caso, la energía que transportan es suficiente para abrir un poco la compuerta de la presa. Cuantos más electrones entren, más abierta quedará la presa y mayor será la corriente entre el colector y el emisor. El transistor funciona en la zona activa como un amplificador.

3. SATURACIÓN

Si pasan muchos electrones por la base, podrán derribar y abrir por completo la presa. El colector y el emisor quedan unidos y los electrones circulan de uno a otro libremente.

Transistor BJT.

El transistor està format per 3 capes de material semiconductor extrínsec. Per tant, segons com hi estiguen col·locades, tindrem dos tipus de transistors:

- Transistor NPN: una capa tip N anomenada emissor, altra tip P anomenada base i altra tip N anomenada col·lector. (aquest tipus és el que nosaltres utilitzarem )

SATURACION IC < β x IB

CORTE IB = IC = IE = 0

REGION DIRECTA IC = β x IB

ZONAS DE TRABAJO

CORTE.- No circula intensidad por la Base, por lo que, la intensidad de Colector y Emisor también es nula. La tensión entre Colector y Emisor es la de la batería. El transistor, entre Colector y Emisor se comporta como un interruptor abierto.  IB = IC = IE = 0; 

SATURACION.- Cuando por la Base circula una intensidad, se aprecia un incremento de la corriente de colector. 

REGION DIRECTA. La ganancia de corriente es un parámetro que relaciona la variación que sufre la corriente de colector para una variación de la corriente de base. Los fabricantes suelen especificarlo en sus hojas de características, también aparece con la denominación hFE. Se expresa de la siguiente manera: IC = β x IB

REGIÓN DE RUPTURA. Las tensiones maximas que pueden soportar se denominan tensiones de ruptura. Cuando se alcanza estas tensiones existe peligro de ruptura del transistor debido a: ruptura por avalancha y ruptura por perforacion. El fabricante proporciona dos tensiones maximas (VCEO, VCES)

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- Transistor PNP: una capa tip P anomenada emissor, altra tip N anomenada base i altra tip P anomenada col·lector.

Entès l’exemple del circuit d’aigua, podem contestar a la pregunta d’aquest apartat mitjançant un simple circuit amb transistor. (dibuix)

En un principi, l’interruptor IN està obert, i així, la corrent no circularà pel circuit. Però, quan IN està tancat, una corrent xicoteta circula per la base del transistor a través de la resistència. Quan açò

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ocorre, el transistor “s’activa”, es a dir, permetent que una corrent gran circuli del col·lector al emissor, encenent així, la bombeta.

Conclusió: Amb poca intensitat de corrent a la base, es pot controlar i amplificar la intensitat d’un circuit elèctric.

5.3.- L’amplificador del par de DarlingtonL’amplificació d’un únic transistor no sol ser suficient en un circuit. No obstant això, si

s’alimenta la base d’un segon transistor amb la corrent amplificada d’un primer transistor, es pot augmentar molt la corrent.

Per exemple, si el guany dels dos transistors es de hfe = 100, aleshores el guany combinat es hfe = 100·100 = 10000. Entens per què?

Aquest mètode de connectar transistors es coneix pel nom de par de Darlington:

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El circuit integratLa miniaturització dels circuits electrònics ha estat un dels aspectes que hanevolucionat més espectacularment des del naixement d'aquesta tecnologia.L'aportació més important dins aquest procés ha estat la tècnica de la integració.Aquesta ha permès fer un salt qualitatiu molt important en incorporar dins unmateix espai de semiconductor un circuit sencer, trencant la barrera delcomponent individual. En una petita àrea d'un cristall de semiconductor éspossible construir un circuit format per components actius -díodes, transistors ialtres-, elements passius -resistències i condensadors- i les seves connexions.El silici és el material escollit per construir els circuits integrats. Aquest és un delsminerals que més abunden a la Terra, i per tant és un material de fàcil abast. Arabé cal sotmetre'l a un determinat tractament per tal d'obtenir un circuit integrat.

27Procés de fabricació d'un circuit integratPer a la fabricació dels circuits integrats s'empren tècniques similars a les deconstrucció dels díodes i transistors. Primerament es preparen els cristalls de silicien forma de cilindres, d'uns 7cm2 se superfície. A continuació es tracten elscristalls per tal de netejar-los d'impureses i es tallen en unes làmines molt primesde 150 mm de gruix.Amb un ordinador s'ha dibuixat la forma que tindrà el circuit en el cristall, aquestdibuix s'ha realitzat a un grandària molt superior a la que tindrà en realitat.Després amb mitjans fotogràfics es transfereix la forma del circuit al cristall i acontinuació a través d'un procés físico-químic aquest queda incorporat al cristall,això s'ha de repetir diverses vegades ja que el circuit es construeix per capes.Barra de silici Làmina amb circuits integratsXipQuan es realitza aquest procés sobre la mateixa llesca de cristall es confeccionencentenars de circuits integrats que després es retallen per disposar d'ellsindividualment -xips-. La mida dels quals s'aproxima a la del cap d'una agulla, de1250 x 1250 mm.Quan ja es disposa dels xips aquests s'encapsulen per tal de facilitar la sevamanipulació, facilitant les connexions del xip a l'exterior.Crèdit variable tipificat - ESO Electrònica28CàpsulaContactesCristall de silici -xip-Evolució dels circuits integratsAquesta tecnologia ha anat evolucionat i ha donat lloc a diversos estadis que esclassifiquen pel nombre de components que s'han pogut integrar en un petit cristallde silici.TECNOLOGIAINTEGRACIÓSIGLES NOMBRE DECOMPONENTSIntegració a petita escala SSI Inferior a 100Integració a mitja escala MSI 100 a 1000Integració a gran escala LSI 1000 a 10.000Integració a molt gran a VLSI Més de 10.000Avantatges aportades pels circuits integratsSi es compara la tecnologia dels circuits integrats amb la dels componentsindividuals connectats per tècniques clàssiques, el circuit integrat aporta:1. Abaratiment de costos de fabricació i per tant de venda.2. Millora de la fiabilitat del circuit. Reducció d'avaries.3. Miniaturització. Reducció del volum dels circuits.

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4. Permet augmentar l'automatització dels processos de fabricaciód'equips electrònics.Aplicacions dels circuits integratsAquesta tecnologia a permès integrar circuits complexos en un sol xip, això hadonat lloc a un classificació funcional dels circuits integrats segons el seu campd'aplicació:Circuits integrats lineals. Sota aquest nom s'agrupen tots aquellsc.i. dedicats a l'amplificació i tractament de senyals analògics d'altai baixa freqüència, control de velocitat de motors de correntcontinu, etc. Exemples d'aquests tipus de c.i. serien LM741,CA3140, LM358N, etc.Crèdit variable tipificat - ESO Electrònica29Circuits integrats digitals. Sota aquest nom s'agrupen tots aquellscircuits que treballen en la tecnologia digital o binària, basada en lalògica de dos estats o àlgebra de Boole. Exemples d'aquests tipus dec.i. serien, 7400, 7490, 74HC02, 4011, etc.Circuits integrats específics. Sota aquest nom s'agrupen totsaquells circuits que realitzen funcions que empren tant la tecnologiadigital com la tecnologia analògica. Exemples d'aquests tipus de c.i.serien, NE555, ADC808, etc.EncapsulatsEls circuits integrats actualment disposen de diferents tipus d'encapsulats segonssigui el tipus de funció, el nombre de potes exteriors i les condicions de l'entorn detreball.El més usual és l'anomenat DIL -Dual In Line-, dues rengleres de potes en línia,Encapsulat DIL de 8 potes Numeració de les potes1 2 3 45 6 7 8vist per sobreLes potes d'un circuit integrat porten a l'exterior les connexions útils pel circuitexterior, cada una de les quals té una funció específica. Cada pota té un númeroque la identifica tant a l'esquema com en el propi xip. El sistema per numeraraquest tipus d'encapsulat és el mateix independentment del nombre de potes.QÜESTIONARI:1. Cerca en la bibliografia relacionada o en una enciclopèdia quin és el minerald'on s'extreu el silici.2. Cerca a la bibliografia el significat en llengua anglesa de les sigles:TECNOLOGIAINTEGRACIÓSIGLES SIGNIFICATIntegració a petita escala SSIIntegració a mitja escala MSIIntegració a gran escala LSIIntegració a molt gran escala VLSICrèdit variable tipificat - ESO Electrònica3. Quins són els elements electrònics que s'integren en un xip:1. ________________________2. ________________________3. ________________________4. ________________________4. Busca un esquema senzill que incorpori un circuit integrat i dibuixa'l acontinuació i marca en color vermell el símbol del circuit integrat i el número decada una de les potes.

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Mis transistores favoritos para cuando a nuestro PIC le falta fuelle. 

BC107  BD140 TIP122 2N3055    Bueno, como decía Jack el Destripador: vayamos por partes ...    No pienso contestar a la pregunta de ¿qué es un transistor? primero porque no conozco la suficiente teoría electrónica como para poder contestarla con la autoridad y profundidad necesarias y segundo, y mas importante, porque no lo necesitamos para nuestras aplicaciones.    Hay mil maneras de conectar un transistor, cada uno de ellos con distintos encapsulados, hay miles de tipos de transistores con millones de parámetros que hay que tener en cuenta según el destino que se le dé y las funciones que solicitemos de él.    Para nosotros es suficiente con decir que un transistor es como un grifo que nos va a servir para dar o quitar la alimentación a un cacharro que no podemos conectar directamente a un pin de nuestro PIC, porque corremos el riesgo de fundirlo, a nuestro PIC, si lo hacemos tan directamente.     El PIC no tiene fuelle para tanto, no puede suministrar la corriente necesaria para que funcione por ejemplo un relé o un motor que necesitan una intensidad de corriente que el PIC no puede dar. ¿Cual es la solución entonces?    ¡Exacto! Lo adivinaste. Un transistor.    El transistor tiene tres patillas solamente, cada una de ellas con nombre propio y que son: Base, Colector y Emisor.  

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    Si nuestro PIC le sopla unos pocos milivoltios a la patilla que llamamos Base entonces va el transistor y deja pasar corriente entre el Colector y el Emisor, y esto es lo importante: con una intensidad que depende de lo que aguante el transistor, no el pin de nuestro PIC.    Entonces el esquema de conexión que vamos a utilizar en un 99.99% de las veces es el siguiente: 

    La entrada representa a cualquier pin de nuestro PIC que da la señal de conduce o no conduce; la resistencia Rb es la encargada de ajustar la corriente que debe suministrar nuestro PIC a la Base del transistor para que cuando circule entre ésta y el emisor se produzca el gran paso de corriente, que es lo que nos interesa, entre el Colector y el Emisor con lo que la Carga, nuestro relé o motor, tenga la suficiente intensidad para funcionar.    Fijaos que el truco está en que nuestro PIC sólo debe suministrar la corriente necesaria y suficiente, aplicada a la Base, para que el transistor conduzca entre el Colector y el Emisor. Le entrega el testigo al transistor para que sea éste el que se encargue de darle la comida que necesite la carga.     Vamos entonces ahora a tratar temas con mas chicha para lo que pretendemos:    Las preguntas del millón son:

¿Qué transistor uso de los miles que hay en la tienda de electrónica de la esquina? 

¿Qué resistencia debo ponerle para conectar mi PIC a la base del transistor?

   La respuesta es tan fácil como oscura: depende que que carga queramos conectarle, o sea que si la carga funciona a 5V y sólo

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necesita 100 mA tendremos que elegir un tipo de transistor distinto al caso en que deseemos montar una que va con 12V y requiere la enorme cantidad de corriente de 2A.

   Y dependiendo del tipo de transistor que seleccionemos y del voltaje e intensidad que vaya a recorrerlo deberemos calcular el valor de la resistencia que debemos colocar para que todo funcione como tenemos previsto.    Pero la respuesta no está en el viento, la encontramos en los omnipresentes Datasheets. En esas hojitas repletas de siglas, valores y curvas de funcionamiento está la respuesta que necesitamos. (Ahí y en nuestro amable tendero electrónico de la esquina que nos va a informar de que ese transistor que tan dificultosamente hemos escogido, no lo tiene. Pero que nos va a salvar la vida dándonos otro que se le parece lo suficiente como para que nos sirva igual ... o casi)    Y ahora viene lo que estabais esperando ansiosamente y que responde a la primera pregunta: 

Valores de parámetros del transistor que debemos consultar para seleccionar el transistor adecuado a nuestros propósitos. 

 IC Corriente máxima que puede atravesar el transistor (que siempre debe ser algo mayor que la que necesite nuestra carga, no debemos llevar los componentes a sus limites; peligra la vida del artista)

hFE Ganancia del transistor que se define como IC/IB (o sea la relación que hay entre la cantidad de corriente que pasa por el colector para una corriente dada que pasa por la base. Esta ganancia es la que nos va a indicar qué corriente va a tener que suministrar nuestro PIC para activar el transistor, o sea que conduzca)

VCEO Máximo voltaje que soporta el transistor entre el Colector y el Emisor (Tened en cuenta que todo transistor tiene su precio ante el empuje de los voltios, por encima de un cierto valor no hay transistor que aguante, se funde y conduce entre el Colector y el Emisor independientemente de lo que diga la Base)    Otro dato muy importante que tenemos que tener en cuenta: La tensión de salida de los pines de los PIC es de 5V y pueden suministrar una intensidad máxima de 25mA     Y por último: es fundamental conocer la intensidad de trabajo que nos consume la Carga que deseamos conectar, tirando del suministro que nos va a brindar nuestro transistor.   Por fin estamos en condiciones de poder seleccionar nuestro transistor, y qué mejor manera de hacerlo que poniendo un sabroso ejemplo y solucionándolo con prontitud, profundidad y elegancia:  

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 Ejemplo práctico de selección y conexión de un Transistor: Conectando un relé a un pin del PIC.    Supongamos (un poné) que deseamos controlar con un pin de nuestro PIC un Relé cuya bobina funciona con 12V y que consume ... hummm ... 80 mA.

   (mi relé Finder V04 30.22.7.012.0010 para no ir mas lejos y lo pongo porque tengo la foto que podéis ver a la derecha. No consume 80 mA pero eso es algo que no tenéis por qué saberlo)

 

   Bien. Lo primero es el esquema electrónico del montaje que deseamos hacer y que es el siguiente:   

Nota: El diodo sirve para eliminar los picos de tensión que se producen cuando conectamos o desconectamos la bobina del relé. 

    Ahora recopilamos la información de que disponemos:    El PIC nos suministra una tensión de 5V y nos puede dar una intensidad de 25 mA (como máximo); queremos conectar una carga que necesita 12V y que consume 80 mA así que necesitamos un transistor que pueda proporcionar unos ... hummmm ... 100 mA por lo menos (su IC) .... y que soporte bien un voltaje de 25V (su VCEO).     Me voy a mis Datasheets y compruebo que el BC107 podría servirme (no digáis que juego con ventaja porque ya lo sé y además tenéis razón). Tiene una IC de 100 mA (un 20% por encima de lo que me consume el relé) y un VCEO de 45 V (más que suficiente). Entonces leo que su hFE es de 110 con lo que ya tengo todo lo que me hace falta.    ¡Y además puedo calcular la resistencia necesaria para colocarle entre nuestro pin y la base. con lo que contesto a nuestra segunda pregunta! 

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   Al necesitar una IC de 80 mA (la del relé) y tener una ganancia hFE de 110 nos bastaría un suministro de corriente a la base de IB = 80/100 = 0.72 mA pero para asegurarnos que el transistor va a conmutar (va a entrar en saturación) vamos a hacer que este suministro alcance IB = 1 mA. Recordamos lo que dijimos para el Calculo de la resistencia para conectar un LED : Intensidad = Voltaje / Resistencia

(Intensidad en Amperios, Voltaje en Voltios y Resistencia en Ohmios) Luego escrito de otra forma ...   Resistencia = Voltaje / Intensidad Como el voltaje es: Voltaje = 5V - 0.7V = 4.3V (Estos 0.7 es VBE o sea la caída que tiene el voltaje que aplicamos a la Base al atravesar el transistor por la unión Base - Emisor ... Ja, ja, ja - truco de perro viejo) Así que nos queda RB = 4.3V / 0,001A = 4300 Ohms (Comercialmente el valor de la resistencia mas aproximada que podemos encontrar en la famosa tienda de electrónica de la esquina es de 4K7 ohmios o escrito de otro modo 4700 ohmios, si colocamos una de 4K7 ohms por ejemplo corremos el riesgo que no alcanzar los 0.72 mA que necesitamos, y de todas formas al disminuir un poco la resistencia de la Base y colocar la de 3K9 nos aseguramos al 100% que nuestro transistor BC107 va a entrar en conducción)

¡Bingo, ya lo tenemos todo! Ya podemos completar nuestro esquema, poniéndole nombre, apellidos y valores a todos los elementos que incluye: 

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 Y esto es todo, amigos, lo que tengo que decir sobre mis transistores favoritos. 

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