Funcionamiento estático y dinámico del transistor

REPÚBLICA DE PANAMÁ
MINISTERIO DE EDUCACIÓN
DIRECCIÓN REGIONAL DE EDUCACIÓN DE VERAGUAS
INSTITUTO PROFESIONAL Y TÉCNICO DE VERAGUAS
TALLER IV
CIRCUITOS
ELECTRÓNICOS
12° GRADO
PREPARADO POR:
BOLÍVAR QUINTERO
2012
TALLER IV CIRCUITOS ELECTRÓNICOS 12°
PREPARADO POR: PROFESOR BOLÍVAR QUINTERO
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Transistores
CASI TODOS LOS INSTRUMENTOS Y APARTOS QUE UTILIZA NUESTRA
SOCIEDAD ESTAN FABRICADOS CON TRANSISTORES.
A manera de introducción
El transistor es uno de los adelantos más significativos de nuestra era y uno de los
componentes más versátiles de la electrónica moderna.
La palabra transistor se deriva del término transferencia de resistencia y designa, en
forma genérica, a un componente electrónico de tres terminales cuya resistencia es una función
del nivel de corriente o voltaje aplicado a uno de sus terminales.
Fundamentalmente, el transistor es una válvula que controla el flujo de los portadores de
corriente o cargas eléctricas en movimiento a través del semiconductor, ya sea de silicio o
germanio u otro material semiconductor, del cual esta fabricado.
Breve historia
En 1948 se anunció la producción del transistor de punto de contacto fig.1, en los
laboratorios de la Bell por un grupo de científicos encabezados por John Bardenen, William
Shockley, Walter Brattainn.
En 1949 se anunció la producción del transistor de unión o empalme, fig. 2 paralelamente
con el diodo de unión.
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Base
semiconductor
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alambre emisor
Fig. 1 transistor de punto de contacto
Alambre colector
metal
Emisor
base
Fig. 2 transistor de empalme
Funciones o utilización del transistor
Tienen una serie de aplicaciones entre ellas tenemos:
La amplificación: como amplificadores de voltaje, corriente, potencia
+
Q
fig. 3
=
colector
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Oscilación: convierte la energía de corriente continua en energía de corriente alterna, el
transistor extrae energía de la fuente dc y conjuntamente con un arreglo adecuado genera un
voltaje de corriente ac.
+ Q
=
ac
0
dc
fig. 4
Modulación y demodulación: el transistor en distintos arreglos proporciona modulación en
amplitud (AM) que es la variación de la señal de radiofrecuencia (rf) , o de la modulación en
frecuencia (FM) ; al igual para la demodulación o detección de señales de AM y FM.
Otras: también se usa para modificar la forma de las ondas, como mezcladores, interruptores.
Existen básicamente dos grandes familias de transistores, los bipolares o BJT (transistores
de juntura bipolar) y los FET (transistores de efecto de campo.
Designaciones y símbolos de los transistores bipolares
Existen dos tipos de transistores bipolares los PNP y NPN, según como se unan sus
diodos fig. fig. 5
E
P
N
P
C
B
E
Fig. 5
N
P
B
N
C
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5
Los transistores se representan muchas veces por medio de la letra Q las representaciones
cuando estos transistores se usan como elementos de un circuito y con utilización de los
símbolos internacionales PNP y NPN se muestran en la fig. 6.
colector
colector
base
base
emisor
emisor
NPN
PNP
Fig. 6
Los transistores se relacionan con los diodos ya que un transistor es la unión de dos
diodos, o un diodo PN seguido por otro diodo NP, fig. 7, por lo tanto se aplica la teoría del diodo
de unión para explicar el comportamiento del transistor cuando se aplica polarización externa.
N
P
emisor
N
P
colector
N
P
emisor
base
colector
base
fig. 7
E
VCE
C
Ie
Ic
VEB
E
VCE
Ie
VCB
Ic
VEB
Ib
PNP
Ib
NPN
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Las tres porciones de un transistor se conocen como emisor, base, colector. La fecha en el
terminal del emisor específica la dirección del flujo de corriente cuando la unión emisor – base
esta polarizada en directa en el sentido convencional de la corriente, en ambos casos tanto para el
transistor PNP como NPN las corrientes Ie , Ib , Ic . los voltajes VEB, VCB, VCE. Fig. 8.
Encapsulado, identificación y especificaciones
Los transistores se fabrican en serie, y las técnicas de fabricación más usadas son las de
aleación, difusión, proceso planar, y el de crecimiento epitaxial; ya fabricados los transistores se
insertan en cápsulas plásticas o metálicas, las cuales protegen al transistor de la humedad,
contaminantes, sirven como disipador de calor, facilita la inserción de los pines de acceso y a la
vez su manipulación e identificación. Los transistores se identifican por códigos o referencias
que representan sus características; existen tres sistemas básicos de identificación:



El americano en la cual la referencia empieza con 2N
El europeo empieza con BC
BS
BF
El japonés empieza con 2SA
2SB
2SC
2SD
Existen otras referencias como la ECG, CA, TIP, MP.
Las especificaciones de los transistores se dan por:

la máxima corriente de colector que se puede manejar en forma segura

el máximo voltaje de polarización inversa que se puede aplicar entre colector y
emisor sin entrar en avalancha o VCEO

la ganancia de corriente beta o hFE,
Estructura de los transistores bipolares
Son dispositivos controlados por corriente. La base es sumamente estrecha en
comparación con el emisor y colector, por lo tanto esta poco dopado, en consecuencia tiene una
concentración muy baja de portadores. El emisor esta fuertemente dopado y la concentración de
portadores mayoritarios supera a la base. El colector es amplio y tiene una alta concentración de
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portadores minoritarios en comparación con la base, y muy pocos portadores mayoritarios en
comparación con el emisor.
.
En el caso de transistor PNP la base no contiene la suficiente cantidad de electrones para
combinarse con todos los huecos que pueda suministrar el emisor. Para el NPN la base no
contiene la suficiente cantidad de huecos para combinarse con todos los electrones que pueda
suministrar el emisor y la mayoría de los electrones atraviesan la base hacia el colector.
En el material del tipo P, la mayor parte del flujo de corriente se debe a los portadores de
carga positiva o huecos. El otro material tipo N, la mayor parte de los portadores de carga son
electrones.
Un componente bipolar, para su funcionamiento depende de los huecos como de los
electrones; siempre que la corriente fluya en un material, hay dos tipos de flujo, el de electrones
y el de huecos. En los materiales tipo P, la corriente consiste en un flujo de huecos, aunque existe
un pequeño flujo de electrones, en este tipo de material a los huecos se les conoce como
portadores mayoritarios y a los electrones portadores minoritarios de carga. En el tipo N los
electrones son los portadores mayoritarios y los huecos los portadores minoritarios.
Polarización y funcionamiento de un transistor
Se forman dos regiones de agotamiento cuando las tres secciones están combinadas. Se
requiere que una unión se polarice en dirección directa (emisor – base) y la otra en dirección
inversa (colector – base). El transistor siempre estará en polarización directa entre base- emisor y
siempre en inversa entre base y colector.
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Circuitos básico de polarización NPN y práctico
Circuito básico de polarización PNP y práctico
Como resultado de la polarización, en un transistor se producen tres corrientes la de base la
emisor y la de colector, debido a que la unión base emisor está polarizada directamente, los
portadores mayoritarios de ambas regiones son obligados por el voltaje de fuente a cruzar la
unión y combinarse. Para un transistor NPN una parte de los electrones se combinan con los
huecos disponibles en la base, provocando una corriente de base pequeña; el resto de los
electrones son atraídos hacia el colector por el fuerte voltaje de polarización inversa VCC de la
unión BC; estos electrones cruzan la unión BC y se dirigen hacia el polo positivo de la fuente
VCC, creando una corriente de colector IC muy intensa. La corriente de emisor Ie se puede
determinar por Ley de Kirchoff.
Las siguientes generalidades son útiles al analizar el desenvolvimiento cualitativo de los circuitos
con transistores.
a. La primera letra del tipo de transistor indica la polaridad del voltaje del emisor con
respecto a la base. Un transistor PNP tiene un voltaje (+) de cc aplicada al emisor. Un
transistor NPN un voltaje (-) de cc aplicado al emisor.
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b. La segunda letra del tipo de transistor indica la polaridad del colector con respecto a la
base. Un transistor PNP tiene un voltaje (-) de cc aplicado al colector. Un transistor NPN
tiene un voltaje (+) de cc aplicado al colector.
c. La dirección de la cc en su forma convencional siempre estará en la dirección de la flecha
en el emisor según su símbolo esquemático.
d. La unión de base-emisor siempre está polarizada en forma directa.
e. La unión de base-colector siempre está polarizada inversamente.
f. Un voltaje de entrada que ayuda (aumenta) a la polarización directa, aumenta las
corrientes del emisor y del colector; o lo contrario.
Funcionamiento estático y dinámico del transistor
Un voltaje de señal puede ser por ejemplo el voltaje de corriente alterna que se obtiene de
un micrófono cuando se le aplica sonido, pues un transistor tiene como principal propiedad
amplificar o agrandar los voltajes de señal, de modo que si aplicamos el voltaje de señal de un
micrófono a un transistor, éste puede amplificarlo o agrandarlo.
Aunque el transistor es el dispositivo o componente que amplifica, éste no puede
funcionar por sí sólo, un transistor para poder funcionar requiere de otros componentes auxiliares
y sobre todo de una energía eléctrica dinámica que constantemente lo esté alimentando. Los
componentes auxiliares son las piezas que ya conocemos: resistores, capacitores y bobinas.
Mientras tanto, la energía de alimentación puede ser suministrada por una pila, batería o un
rectificador cualquiera.
Un transistor va a manejar voltaje de corriente alterna mientras trabaja. El voltaje de
corriente directa será su alimentación mientras que el voltaje de corriente alterna será la señal
que se amplifica, en éste caso, la señal es un voltaje de corriente alterna que se obtiene del
micrófono cuando se le aplica sonido (voz y música).
En un amplificador sea de uno o más transistores podrán existir dos condiciones de
funcionamiento y éstas son: el funcionamiento estático y el funcionamiento dinámico.
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Funcionamiento estático: En un amplificador existe el funcionamiento estático cuando
contando con el suministro de energía (voltaje de corriente directa) adecuado, el circuito se
encuentra polarizado y funciona sin recibir el voltaje de señal o sea, el V. C. A. que puede
llegarle de un micrófono o de otra fuente de señal. El hecho de que un amplificador se encuentre
funcionando estáticamente no quiere decir que deje de consumir la energía eléctrica de su fuente
de alimentación. Un amplificador que se encuentra “encendido” aunque no reciba señal
consumirá una determinada cantidad de energía eléctrica, que obviamente al no poderse
convertir en sonido se convertirá en calor o luz. Obviamente la energía eléctrica consumida por
un amplificador mientras funciona estáticamente es mínima. En resumen, un circuito electrónico
funciona estáticamente, cuando alimentado correctamente, se prepara para realizar un trabajo útil
para nosotros como es la amplificación de una señal electrónica.
Funcionamiento dinámico: Cuando teniendo un amplificador que funciona estáticamente le
aplicamos un señal o sea, un V.C.A. proveniente de un micrófono o de otra fuente de
señal electrónica, entonces el amplificador funciona dinámicamente. En tanto el amplificador
funcione dinámicamente, la energía disipada ya no será sólo calor o luz, sino sonido u otro tipo
de señal amplificada.
Cuando el amplificador se encuentra funcionando estáticamente, si la fuente sonora
genera sonido, entre las terminales de la fuente de audiofrecuencia, aparece un voltaje de
corriente alterna débil, que variará de 20 Hz – 20 KHz, según el tono del sonido. Al llegar dicho
voltaje de señal al transistor modifica su polarización y con ello también la corriente estática del
transistor. La corriente directa ya con la señal se volverá directa variable o pulsante y por las
propiedades del mismo transistor, una pequeña variación en la corriente de entrada provoca una
gran variación en la corriente de salida. Como esta corriente fluctuante afecta también al voltaje
de polarización en la salida, corriente y voltaje que fluctúan con gran amplitud, son
prácticamente la señal amplificada.
Al hablar de variación de corriente nos referimos a la fluctuación de intensidad o de
amplitud de la onda u ondas. Una onda con poca fluctuación de intensidad o amplitud, será una
onda débil. Una onda con mucha fluctuación de intensidad o amplitud, será una onda fuerte o
amplificada. Si las condiciones de trabajo del transistor son las adecuadas, la variación de
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corriente que aparece a la salida del transistor, prácticamente en el mismo instante, conservará la
misma proporción de longitud y forma de onda de entrada, pero amplificada.
Por lo general el voltaje de polarización, o sea, el requerido para el funcionamiento
estático, en la salida del transistor siempre debe ser mayor que en la entrada, para que así pueda
responder a las grandes fluctuaciones de la señal amplificada. Dirección de la circulación de la
corriente convencional en los dos tipos de transistores NPN y PNP usando los símbolos
esquemáticos internacionales
- +
Q1
NPN
+ -
+ -
Q2
- +
PNP
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Voltaje de corriente directa
voltaje de corriente directa
voltaje negativo (nivel medio)
Voltaje negativo, nivel medio
Voltaje de alimentación que hay a la entrada del transistor
alimentación que
(voltaje de polarización) en condiciones estáticas (sin señal)
voltaje de
hay a la salida del
transistor (voltaje de
Polarización)
en
condiciones
estáticas (sin señal)
Voltaje más positivo
Voltaje más positivo
nivel
medio
negativo
Voltaje
menos
voltaje menos negativo
El transistor es sensible al calor, un cambio en la temperatura, puede dar efectos adversos
en la operación, ya que cambia los valores de las resistencias de las uniones y en consecuencia el
flujo de corriente a través de ellas, y al operar más allá de su capacidad de disipación térmica se
destruye.
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Fallas en los transistores
Los desperfectos de un transistor pueden ser de transistor abierto, en corto, o con fugas, y
al igual que los diodos no se aprecian a simple vista, por lo tanto se necesita de un instrumento
para probarlos, como los probadores de transistores, con el óhmetro. Las fallas aparecen entre
colector y emisor, entre base y emisor, entre base y colector.
El transistor a probar debe estar desconectado de cualquier circuito a que
pertenezca, se debe identificar las terminales o patitas del transistor consultando el
manual para transistores, y el tipo de transistor ya sea PNP
o
NPN. Identifique el
tipo de óhmetro usado en relación a los colores de la punta de prueba sea digital o
análogo. El óhmetro se coloca de preferencia en una escala de x10.
Existen básicamente seis pruebas, ya que de base a emisor hay un diodo y de base
a emisor otro diodo.
Pasos:
Prueba de polarización directa para un transistor NPN
1.
Entre base – colector, debe existir una resistencia baja, de lo contrario, si hay alta
resistencia el transistor está abierto. Si hay cero ohm de resistencia el transistor está
en corto.
2.
Entre base – emisor, resistencia baja, de lo contrario, si hay alta resistencia el
transistor está abierto. Si hay cero ohm de resistencia el transistor está en corto.
Prueba de polarización inversa para un transistor NPN
3.
Entre base – emisor, resistencia alta, de lo contrario, si hay baja resistencia el
transistor está en corto o con fugas.
4.
Entre base – emisor, resistencia alta, de lo contrario, si hay baja resistencia el
transistor está en corto o con fugas.
5.
Entre emisor – colector resistencia alta, de lo contrario, si hay baja resistencia el
transistor está en corto o con fugas.
6.
Entre colector – emisor debe existir resistencia alta, de lo contrario, si hay baja
resistencia el transistor está en corto o con fugas.