3.- el transistor

ELECTRÓNICA
1.- SEMICONDUCTORES
1.1.- TEORÍA DE BANDAS
1.2.- SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS
2.- EL DIODO
2.1.- EXPLICACIÓN FÍSICA DEL COMPORTAMIENTO DEL DIODO
2.2.- FUNCIONAMIENTO IDEAL Y REAL DEL DIODO
2.3.- EL DIODO LED
3.- EL TRANSISTOR
3.1.- CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DEL TRANSISTOR
3.2.- POLARIZACIÓN DEL TRANSISTOR
3.3.- FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR
3.4.- CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL TRANSISTOR
3.5.- MÉTODO GRÁFICO PARA RESOLVER CIRCUITOS CON
TRANSISTORES
3.6.- CIRCUITOS DE CONTROL
1.- SEMICONDUCTORES
Los materiales, según su naturaleza eléctrica, se clasifican en tres grandes grupos:
conductores, aislantes y semiconductores.
Esta clasificación corresponde a la capacidad de los materiales de dejar pasar a través
de ellos más o menos electrones, es decir, su capacidad para conducir la corriente
eléctrica.
a) CONDUCTORES: son aquellos materiales que conducen fácilmente la corriente
eléctrica. Generalmente son metales; los metales son sólidos constituidos por un bloque
interior muy compacto de núcleos atómicos rodeado por una “nube” de electrones; estos
electrones se encuentran desligados de sus átomos, por lo que, al estar libres pueden
moverse fácilmente, con muy poca energía. Esta es la razón por la que los metales
conducen la corriente de electrones, ya que los electrones se pueden mover fácilmente
en estos materiales.
b) AISLANTES: son aquellos materiales que no conducen bien la corriente eléctrica, es
decir, no permiten el paso de electrones. Ello es debido a que en este tipo de materiales
existe una gran cohesión entre sus átomos. Las moléculas se encuentran fuertemente
unidas entre sí y no permiten el movimiento de los electrones, que se encuentran
fuertemente ligados a sus átomos.
c) SEMICONDUCTORES: son materiales en principio aislantes, es decir, no conducen la
corriente eléctrica; no obstante, pueden “convertirse” en conductores y permitir la
circulación de electrones bajo determinadas condiciones. Al igual que ocurre en los
aislantes, los electrones están ligados a sus átomos y en principio no pueden moverse;
sin embargo, esta ligadura no es tan fuerte como en el caso de los aislantes y si se
comunica al semiconductor una pequeña cantidad de energía, algunos electrones
pueden liberarse y hacer posible la conducción eléctrica. Este tipo de conducción se
denomina intrínseca. Los principales materiales semiconductores son el silicio y el
germanio.
1.1.- TEORÍA DE BANDAS
Los electrones de un átomo se distribuyen según niveles energéticos (órbitas u orbitales)
en torno al núcleo. Los electrones próximos al núcleo tienen menos energía, es decir, se
encuentran en niveles energéticos más bajos. La energía de los electrones aumenta al
alejarnos del núcleo. Para separar un electrón del núcleo hay que vencer la atracción
mutua entre el electrón y el núcleo, y para ello el átomo debe absorber cierta energía. Y
al contrario, cuando el electrón pasa de un nivel de energía más alto a otro más bajo se
libera una determinada cantidad de energía.
Cuando los átomos se unen para formar un sólido se agrupan de manera ordenada
formando una red cristalina. En este caso, debido a la proximidad de los átomos entre
sí, los niveles energéticos en los que se encuentran los electrones se ven afectados por
la presencia de los átomos vecinos. En el sólido, los niveles de energía que estaban
separados se juntan y aparecen las llamadas bandas de energía de los sólidos. Dichas
bandas están formadas por los niveles de energía de los átomos que debido a la
proximidad de unos con otros se solapan entre sí, formando una zona o banda continua
en la que se pueden encontrar los electrones.
En particular, para entender el comportamiento de los materiales en relación con la
conducción de la corriente eléctrica, nos interesan las dos últimas bandas, que reciben
los siguientes nombres:
- Banda de valencia: está ocupada por los electrones de valencia de los átomos, es
decir, aquellos electrones que se encuentran en la última capa o nivel energético de los
átomos, y son los que intervienen en los enlaces.
- Banda de conducción: está ocupada por los electrones libres, es decir, aquellos que
se han desligado de sus átomos y pueden moverse fácilmente. Estos electrones son los
responsables de la conductividad eléctrica. En consecuencia, para que un material sea
conductor debe tener electrones en la banda de conducción.
Entre la banda de valencia y la banda de conducción existe una zona denominada banda
prohibida o gap, que separa ambas bandas y en la cual no pueden encontrarse los
electrones.
La estructura de bandas de un material permite explicar su comportamiento frente al
paso de la corriente eléctrica. Así, podemos distinguir tres casos:
- Conductores: en los metales las bandas solapan, y la banda de conducción está
ocupada por electrones libres, desligados de sus átomos, que pueden moverse
fácilmente y pasar de unos átomos a otros. En consecuencia los metales son buenos
conductores de la corriente eléctrica.
- Aislantes: en estos materiales la banda de conducción se encuentra vacía, pues no hay
átomos libres. En consecuencia, no pueden conducir la corriente eléctrica. La banda que
está ocupada en este caso es la banda de valencia, pero éstos electrones no pueden
moverse libremente.
- Semiconductores: estos materiales son en principio semejantes a los aislantes, es
decir, la banda de conducción está vacía y no conducen la corriente eléctrica. Sin
embargo, en el caso particular de los semiconductores, la banda prohibida es muy
estrecha de forma que la banda de valencia se encuentra muy próxima a la banda de
conducción. Esta situación permite que si se comunica al material una pequeña cantidad
de energía, algunos electrones de la banda de valencia puedan “saltar” a la banda de
conducción (se desligan de sus átomos y se hacen libres); y al tener ocupada la banda
de conducción el material se comportará como conductor.
1.2.- SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS
También podemos conseguir que un material semiconductor se convierta en conductor
inyectando cargas positivas o negativas en el material. En este caso se habla de
conducción extrínseca.
Si en un material hay un exceso de electrones, muchos de ellos no tendrán hueco donde
situarse de forma estable. En este caso estos electrones “de sobra” se situarán
libremente alrededor de los átomos y podrán moverse fácilmente. Este exceso de carga
negativa se consigue introduciendo impurezas con exceso de electrones en el material,
denominadas impurezas donoras. Este proceso se denomina dopado de cargas
negativas y el resultado es un semiconductor tipo N.
Por ejemplo el silicio (que tiene 4 electrones de valencia) se dopa con pequeñas
cantidades de arsénico o antimonio (que tienen 5 electrones de valencia, y por tanto un
electrón de más).
De la misma manera, también se puede inyectar un exceso de protones o de partículas
positivas en el material. En este caso existirá un defecto de electrones, o dicho de otra
forma, un exceso de huecos (entendiendo por hueco la ausencia del electrón que
compensa la carga positiva). Este exceso de carga positiva se consigue introduciendo
impurezas con exceso de carga positiva en el material, denominadas impurezas
aceptoras. Este proceso se denomina dopado de cargas positivas y el resultado es un
semiconductor tipo P.
Por ejemplo, el silicio se dopa con impurezas de galio o indio (que tienen 3 electrones de
valencia, y por tanto un electrón de menos).
Estos semiconductores constituidos mediante procesos de dopado con impurezas
donoras o aceptoras se denominan semiconductores extrínsecos y la conductividad
eléctrica que se consigue es mayor que en el caso de los intrínsecos. Por este motivo en
la fabricación de dispositivos electrónicos se utilizan principalmente semiconductores
extrínsecos (tipo P y tipo N).
2.- EL DIODO
Uno de los dispositivos electrónicos más sencillos y de mayor aplicación es el diodo.
Está formado por la unión de dos materiales semiconductores, uno tipo P y otro tipo N:
El terminal conectado con el semiconductor tipo P se denomina ánodo, mientras que el
terminal conectado con el semiconductor tipo N recibe el nombre de cátodo.
El símbolo del diodo es el siguiente:
Los diodos utilizados habitualmente en los circuitos electrónicos se encuentran
recubiertos por un encapsulado plástico de color negro con una pequeña banda situada
próxima al terminal del cátodo.
El diodo permite el paso de la corriente eléctrica por su interior en un solo sentido, desde
el ánodo hacia el cátodo, y no deja que circule corriente en sentido contrario.
La corriente solo circulará si se conecta el diodo de forma adecuada; hay dos casos:
a) POLARIZACIÓN DIRECTA: Se conecta el polo positivo de la pila con el terminal
positivo del diodo (ánodo) y el polo negativo de la pila con el terminal negativo del diodo
(cátodo), tal y como se muestra en la figura:
En este caso el diodo conduce y deja pasar la corriente eléctrica, se comporta como un
interruptor cerrado.
b) POLARIZACIÓN INVERSA: Se conecta el polo positivo de la pila con el terminal
negativo del diodo (cátodo) y el polo negativo de la pila con el terminal positivo del diodo
(ánodo), tal y como se muestra en la figura:
En este caso el diodo no conduce y no deja pasar la corriente eléctrica; se comporta
como un interruptor abierto.
2.1.- EXPLICACIÓN FÍSICA DEL COMPORTAMIENTO DEL DIODO
Al unirse un semiconductor tipo N con otro semiconductor tipo P ocurre que existe un
exceso de partículas positivas (huecos) en la zona P y un exceso de partículas negativas
en la zona N (electrones) de forma que éstas tienden a desplazarse hacia el otro lado de
la unión para compensarse entre sí (los electrones en exceso de la zona N rellenan los
huecos en exceso de la zona P).
Como consecuencia de este desplazamiento se crea en el centro de la unión una zona
neutra o región de agotamiento en la que las cargas se compensan. Pero la presencia de
esta zona neutra impide el desplazamiento del resto de electrones que se encuentran
más alejados de la unión hacia la zona P, es decir, actúa como una barrera que no
permite el paso de electrones.
- Si se conecta el diodo a una pila en polarización directa, los electrones procedentes de
la batería empujan a los existentes en el diodo y consiguen vencer la barrera existente en
la zona neutra, permitiendo así el paso de la corriente eléctrica a través del diodo.
- Si por el contrario se conecta el diodo en polarización inversa, lo que ocurre es que los
electrones de la pila se compensan con los huecos de la zona P, y algo similar ocurre en
la zona N, con lo cual la zona neutra aumenta y por tanto es mayor la barrera que impide
el paso de los electrones y no podrá pasar la corriente eléctrica.
2.2.- FUNCIONAMIENTO IDEAL Y REAL DEL DIODO
Según lo anteriormente explicado, el diodo solo puede conducir la corriente eléctrica si
está directamente polarizado, es decir, cuando la corriente circula desde al ánodo al
cátodo. En estas condiciones el diodo “gastará” una cierta cantidad de la tensión del
circuito. Esta tensión en el diodo se denomina tensión o voltaje umbral: Vu.
En el caso de los diodos de silicio: Vu = 0,7V y en los diodos de germanio V u = 0,3V. Esta
tensión se mantiene constante aunque aumente la corriente eléctrica por el circuito. En
cualquier caso los diodos tiene una corriente máxima admisible por encima de la cual el
dispositivo se rompe (este valor suele ser dado por el fabricante del dispositivo).
La gráfica que representa la intensidad de corriente frente al voltaje en el diodo se
denomina curva característica del diodo y representa el comportamiento del
dispositivo.
La característica de funcionamiento de un diodo ideal tiene el siguiente aspecto:
El diodo no empieza a conducir hasta que
no se alcanza la tensión umbral (por tanto
un diodo de silicio no conduce para
voltajes inferiores a 0,7V)
Una
vez
alcanzado
este
voltaje,
se
mantiene constante aunque la intensidad
de corriente que pasa por el diodo.
Sin embargo este comportamiento “ideal” no se da en la realidad y los diodos reales
presentan una curva característica de la siguiente forma:
El diodo conduce pequeñas corrientes
aunque no se haya alcanzado la tensión
umbral (siempre y cuando esté polarizado
en directa). Al alcanzar la tensión umbral
ésta se mantiene prácticamente constante
y la corriente aumenta considerablemente.
Las aplicaciones de los diodos son numerosas y su presencia es habitual en muchos
circuitos electrónicos. Se utiliza principalmente como rectificadores de corriente alterna,
como protección contra inversiones accidentales de polarización y siempre que se
precise que la corriente circule en un solo sentido.
Cálculos en circuitos con diodos:
En los circuitos con diodos, hay dos formas de calcular los parámetros eléctricos en
función de los datos de los que disponemos.
a) Método analítico: en este caso se considera que el diodo
tiene un comportamiento ideal:
-
si el voltaje aplicado al circuito es inferior al voltaje
umbral, el diodo no conducirá y la corriente que circula
por el circuito será nula
-
si el voltaje aplicado al circuito es superior al voltaje umbral, el diodo conduce y el
voltaje entre sus extremos es un valor fijo (el voltaje umbral: Vd= Vu). En este
caso, al ser un circuito en serie, se cumple que el voltaje del generador se reparte
entre el diodo y la resistencia:
V = VR + Vd
Aplicando la ley de Ohm en la resistencia: V = Vd + I.R
Por tanto, la corriente que pasa por el circuito será: I = (V – Vd)/R
b) Método gráfico: en este caso se considera que el diodo tiene un comportamiento
real y se utiliza la curva real del diodo
En este caso también se cumple:
V = Vd + R . I
que resulta ser la expresión de una
recta.
Para dibujar esta recta en el gráfico del diodo, la
forma más sencilla es definir el corte con el eje X y
el corte con el eje Y.
-
El corte con el eje X se obtiene cuando I =0
I = 0 ⇒ Vd = V
-
El corte con el eje Y se obtiene cuando Vd = 0;
por lo tanto el valor de I será:
Vd = 0 ⇒ Id =
V/R
Tras dibujar la recta se observa que corta a la curva del diodo en un punto, que
constituye el punto de trabajo del diodo. Las coordenadas de este punto (V, I) son los
valores de voltaje e intensidad de corriente en el diodo.
2.3.- EL DIODO LED
Los LED son diodos que emiten luz cuando pasa una corriente eléctrica a través de ellos.
Al igual que los diodos convencionales permiten que la corriente eléctrica circule en un
solo sentido (del ánodo al cátodo, cuando están polarizados directamente).
Los diodos LED tienen el siguiente aspecto:
el terminal positivo corresponde con la patilla más larga y
el terminal negativo con la más corta (es fundamental
conocer la polaridad del dispositivo para poderlo polarizar
correctamente).
Pueden ser de varios colores (rojo, amarillo, verde...)
El símbolo del diodo LED es el siguiente:
Los diodos LED se utilizan principalmente como indicadores visuales de que un circuito o
un aparato está funcionando.
Estos dispositivos suelen funcionar con una tensión de 2V; para obtener esta tensión de
funcionamiento correcta se suelen colocar el LED en serie con una resistencia, tal y
como se muestra en la figura:
La resistencia actúa como limitador de voltaje, de forma que en el LED sólo caigan dos 2
V; por tanto, el valor de la misma dependerá del voltaje total aplicado al circuito.
3.- EL TRANSISTOR
Es el dispositivo electrónico más importante y por tanto más utilizado. El transistor está
formado por la unión de tres capas de material semiconductor, de tipo P y tipo N
dispuestas de forma alternada (en forma de sándwich). Según la disposición de estas
capas, podemos tener dos tipos de transistores:
- transistor P - N - P
- transistor N - P - N
Los más utilizados son los transistores NPN, por lo que vamos a centrarnos en el estudio
de este tipo de dispositivos.
Cada una de las tres partes del transistor se conecta a un terminal metálico que permite
conectar el transistor con el circuito, y todo el conjunto se recubre de un encapsulado
protector. Por tanto el transistor es un dispositivo de tres terminales, que reciben los
siguientes nombres:
- EMISOR
- BASE
- COLECTOR
El símbolo de un transistor NPN es el siguiente:
La flecha indica la dirección de la corriente a
través del emisor. En un transistor PNP va
en sentido contrario y por tanto la flecha se
dibuja al revés.
La corriente circula por el transistor en las direcciones y sentidos indicados en la figura y
reciben los siguientes nombres:
IB = intensidad de corriente de base
IC = intensidad de corriente de colector
IE = intensidad de corriente de emisor
Y se producen las siguientes caídas de tensión:
VCE = tensión colector- emisor
VBE = tensión base- emisor
Las tres corrientes del transistor se relacionan entre sí de la siguiente forma:
IE = IB + IC
Por tanto, si se conocen dos de las corrientes se pueden obtener la tercera a partir de la
expresión anterior
3.1.- CARACTERÍSTICAS FUNDAMENTALES DEL TRANSISTOR
La corriente que circula por el colector está relacionada con la corriente de base de la
siguiente forma:
β=
IC
IB
El factor β es un número mayor que 1, de forma que la corriente de salida IC será mayor
que la corriente de entrada IB :
IC = β⋅IB
⇒
IC > IB
Así, el transistor se comporta como un elemento capaz de amplificar la corriente de
entrada al multiplicarla por el factor β, característico de cada transistor (dado por el
fabricante). El factor β se denomina ganancia del transistor, y expresa la capacidad de
amplificación del dispositivo.
De la anterior relación también se deduce que si la corriente de la base es nula, la
corriente de colector también lo será. Sólo circulará corriente por el colector si pasa
corriente por la base. En consecuencia, el paso de la corriente eléctrica entre el colector
y el emisor se controla mediante la corriente de base.
En resumen, el transistor presenta dos características fundamentales:
- No permite pasar corriente entre el colector y el emisor si no existe corriente de base.
- La corriente de base es más pequeña (normalmente, mucho más pequeña) que la
corriente que circula por el colector y el emisor.
Las dos características mencionadas conllevan las dos principales aplicaciones del
transistor: como interruptor y como amplificador
- INTERRUPTOR: si pasa corriente por la base el transistor conduce y permite el paso de
corriente eléctrica entre el colector y el emisor. En caso contrario, si no existe corriente
de base (o ésta es demasiado pequeña) el transistor no conduce y se comporta como un
interruptor abierto. De hecho, podemos considerar al transistor como un interruptor
controlado por medio de la corriente de base.
- AMPLIFICADOR: si se considera la base como el terminal de entrada y el colector
como la salida, el transistor se comporta como un amplificador.
3.2.- POLARIZACIÓN DEL TRANSISTOR
Polarizar un transistor consiste en asociarle un circuito exterior. Al conectar el dispositivo
a dicho circuito se van a establecer una
serie de corrientes y tensiones entre los
terminales del transistor (VBE, VCE, IB, IC, IE).
El circuito de polarización del transistor más sencillo consta de dos generadores. Los
polos positivos de conectan a la base y al colector y el emisor al polo negativo:
Este tipo de conexión se denomina en
emisor común, ya que el terminal del emisor
es común a la entrada y a la salida:
En la práctica se incluyen también al menos dos resistencias en el circuito:
RB = resistencia de base
RC = resistencia de carga
Estas
resistencias
tienen
como
función limitar la corriente que circula
por la base y el colector
En la práctica se suele emplear un único generador y un divisor de tensión; de esta
forma, el circuito de polarización usado habitualmente tiene la siguiente forma:
siendo:
RB =
R1 ⋅ R2
R1 + R2
VBB =
VCC ⋅ R2
R1 + R2
3.3.- FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR
El aspecto básico del transistor es la propiedad de poder controlar su funcionamiento
mediante la corriente de base. Así, dependiendo del valor de dicha corriente, el transistor
puede funcionar en tres estados posibles:
- CORTE
- CONDUCCIÓN
- SATURACIÓN
Vamos a estudiar cada uno de estos casos a través de los siguientes ejemplos:
a) ESTADO DE CORTE:
Si consideramos el circuito de la figura, vemos que la tensión en la base es cero; en
consecuencia, si no se comunica voltaje a la base, no circulará corriente por la misma:
VBB = 0 ⇒ IB = 0
Por tanto, las corrientes de colector y de
emisor también serán nulas:
IC = β⋅IB = β⋅0 = 0
IE = IB + IC = 0
Esto supone que no circulará ninguna corriente por el transistor, aunque el colector esté
conectado a un generador con un voltaje no nulo.
En estas condiciones, el transistor se comporta como un
interruptor abierto, tal y como se muestra en la figura:
Este estado de corte se mantiene aunque VBB ≠0 (siempre y
cuando sea inferior a 0,7V); es decir, cuando IBB es demasiado
pequeña tampoco conduce el transistor.
b) ESTADO DE CONDUCCIÓN:
Si ahora colocamos en el circuito del
ejemplo una pila de 2V, (superior por
tanto al valor límite del estado de corte
de 0,7 V), tal y como se muestra en la
figura, circulará una corriente a través
de la base.
Dado que el transistor está formado por capas de material semiconductor, a efectos de
cálculo, la unión base-emisor se comporta como un diodo, lo que nos va a permitir
calcular el valor de la corriente de base:
Como ya es sabido, el voltaje en un diodo
(supuesto de silicio) es de 0,7 V; en consecuencia,
el voltaje en la resistencia será igual al de la pila
menos el del diodo:
VR = Vpila - Vdiodo = 2 - 0,7 = 1,3V
Y según la ley de Ohm, la intensidad que pasa por la resistencia será:
IB =
V
1,3
=
= 0,0013A = 1,3mA
R 1000
Una vez conocida IB, podemos calcular la corriente de colector:
IC = β⋅IB
si suponemos β = 100 ⇒ IC = 100⋅1,3 = 130 mA
Por otro lado, en la parte del circuito colector-emisor,
mostrada en la figura siguiente, la pila conectada
tendrá que “repartir” la tensión de 10V entre la
resistencia RC y la unión colector-emisor VCE
es decir:
10 = VR + VCE
Como conocemos IC y RC podemos calcular el valor de la tensión en RC:
VR = IC⋅RC = 0,13⋅10 = 1,3 V
Y por tanto, en la unión colector-emisor caerá un voltaje: VCE = VCC - VR
VCE = 10 - 1,3 = 8,7 V
Este estado del transistor se denomina de conducción, pues el transistor conduce. El
valor de la corriente que circula entre el colector y el emisor se puede controlar a través
de la corriente de base.
c) ESTADO DE SATURACIÓN:
En el estado de conducción no se puede aumentar indefinidamente la corriente de base,
pues existe un valor límite a partir del cual se alcanza el estado de saturación. La
saturación es el estado del transistor en el que el dispositivo llega al límite de sus
posibilidades.
Consideremos el siguiente circuito en el
VR = 2 - 0,7 V = 1,3 V
que se ha modificado el valor de la
resistencia RB. Como la pila proporciona
más de 0,7 V, existe una corriente a
través de la base, cuyo valor se puede
calcular de modo análogo a como se
hizo en el apartado anterior:
A partir de la ley de Ohm:
IB =
V 1,3
=
= 0,013A = 13mA
R 100
Y la corriente de colector será: IC = β⋅IB = 100⋅13 = 1300 mA = 1,3 A
Se observa que el valor de IC es mayor que en el caso anterior.
Por otro lado, en la parte del circuito colector-emisor, se cumplirá:
VR = IC⋅RC = 1,3⋅10 = 13 V
La tensión de la pila se repartirá entre la resistencia y
la unión colector-emisor:
VCC = VCE + VR ⇒ VCE = VCC - VR
Sustituyendo los datos, se obtiene:
VCE = 10 - 13 = -3 V ⇐ ¡El resultado es negativo!
Sin embargo, no es posible obtener un valor negativo; obtenemos este resultado
aparentemente absurdo porque el transistor no se encuentra en el estado de conducción,
y por consiguiente no se pueden aplicar los cálculos realizados, válidos sólo cuando el
transistor se encuentre en el estado de conducción. En este caso, el valor de la corriente
de base es demasiado alto y el transistor se encuentra en el estado denominado de
saturación.
Para estudiar un transistor en estado de saturación hay que considerar las siguientes
reglas:
- Primera regla del transistor: La mínima tensión que puede tener la unión
colector-emisor es de VCE = 0,2 V. Por tanto, el estado de saturación es aquel en
el que el transistor fija el valor de VCE en ese valor.
–
Segunda regla del transistor: Cuando el transistor está en saturación el
parámetro β no sirve para hallar la relación entre las corrientes de base y de
colector:
β=
IC
IB
Si aplicamos estas reglas en el ejemplo considerado, en la parte del circuito colectoremisor se cumplirá: VCE = 0,2 V y por tanto:
VCE = VCC - VR = 10 - 0,2 = 9,8 V
Y como conocemos el valor de RC podremos obtener, a partir de la ley de Ohm, el valor
verdadero de la corriente de colector:
IC =
V 9,8
=
= 0,98 A
R 10
Este valor de IC es además el valor máximo de la intensidad que puede circular por el
transistor, y esto ocurrirá siempre que el transistor se encuentre en estado de saturación.
En la práctica, cada uno de los tres estados de funcionamiento del transistor se utiliza
para una aplicación concreta; por ejemplo:
- si queremos que el transistor funcione como amplificador, debe encontrarse en el
estado de conducción;
−
si el transistor se utiliza como interruptor, funciona alternativamente entre los
estados de corte (Interruptor abierto) y saturación (Interruptor cerrado).
3.4.- CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL TRANSISTOR
Al igual que en el caso del diodo, el comportamiento de un transistor se suele representar
mediante un conjunto de gráficas, que suelen ser proporcionadas por el fabricante del
dispositivo. Estas gráficas reciben el nombre de curvas características de salida del
transistor y en ellas se representa el valor de IC frente a VCE, para distintos valores de
IB; se trata de un conjunto de curvas (una por cada valor de IB)
En un transistor NPN las curvas características de salida tienen el siguiente aspecto:
Los diferentes estados de funcionamiento del transistor se pueden observar claramente
sobre las curvas características, tal y como se muestra a continuación:
A= zona de corte
B = zona de conducción
C = zona de saturación
3.5.- MÉTODO GRÁFICO PARA RESOLVER CIRCUITOS CON TRANSISTORES
Existe una forma sencilla de calcular los valores IB, IC, IE, VBE y VCE, que configuran el
denominado punto de trabajo de un transistor, utilizando las curvas características del
transistor. El proceso es el siguiente:
a) Obtención de la corriente de base IB:
El voltaje aplicado a la base se reparte entre la
resistencia de base RB y la unión base-emisor
del transistor:
VBB = VR + VBE
Aplicando la ley de Ohm, el voltaje en la
resistencia es: VR = IB⋅RB
Luego:
VBB = IB⋅RB + VBE
⇒
IB =
VBB − VBE
RB
Como la unión base - emisor se puede
considerar a efectos de cálculo como un diodo,
VBE = 0,7 V, y podremos calcular el valor de IB
b) Obtención de la corriente de colector IC:
Se puede obtener de dos formas:
- A partir de la relación: IC = β⋅IB
- A partir de la gráfica que relaciona IC con IB; esta gráfica suele ser proporcionada
por el fabricante del transistor y tiene la siguiente forma:
el valor obtenido IB se lleva a la gráfica
y a partir de ella se obtiene IC
c) Obtención de la tensión colector-emisor VCE:
La tensión VCC aplicada al circuito tendrá que “repartirse” entre la resistencia R C y la unión
colector-emisor VCE:
VCC = VCE + VR
⇒
VCE = VCC - VR
Como conocemos IC y RC podemos calcular el valor de la tensión en RC aplicando la ley
de Ohm:
VR = IC⋅RC
Sustituyendo se obtiene la siguiente expresión:
VCE = VCC - IC⋅RC
que recibe el nombre de recta de carga.
Esta recta, dibujada sobre las curvas características de salida del transistor proporciona
la posición del punto de trabajo del dispositivo.
Para dibujar la recta de carga basta conocer dos puntos de la misma; lo más sencillo es
buscar los puntos de corte con los ejes:
1º) punto de corte con el eje de abcisas (eje X), para IC = 0:
VCE = VCC - 0 ⇒ VCE = VCC; la recta corta al eje de abcisas en el punto (VCC, 0)
2º) punto de corte con el eje de ordenadas (eje Y), para VCE = 0:
0 = VCC - IC⋅RC ⇒ I C =
VCC
; la recta corta al eje de ordenadas en el punto
RC
 VCC 
 0 ,

RC 

Marcamos estos puntos en la gráfica y se dibuja la recta, tal y como se muestra en la
figura. El punto de corte
Q
de la recta de carga con la curva
característica
correspondiente a la corriente de base IB de trabajo (obtenida en el apartado a) es el
punto de trabajo del transistor.
3.6.- CIRCUITOS CON TRANSISTORES
Los sistemas de control electrónico están formados por un conjunto de dispositivos
electrónicos conectados entre sí formando un circuito más o menos complejo que
controla el funcionamiento de una máquina o un proceso mediante señales eléctricas.
a) CONTROL DE ILUMINACIÓN
El circuito de la figura siguiente permite controlar el encendido de la lámpara mediante un
detector de luminosidad (LDR):
Cuando la LDR se encuentra a oscuras, su resistencia es
muy alta; en consecuencia la corriente que circula por la
base es muy pequeña y el transistor se encontrará en
estado de corte (funciona como un interruptor abierto que
no deja pasar la corriente en el circuito de colector) y la
lámpara permanecerá apagada.
Por el contrario, cuando se ilumina la LDR, su resistencia
disminuye; esto permite que circule mayor corriente por la base y que el transistor pase a
los estados de conducción y saturación (funciona como un interruptor cerrado que deja
circular la corriente eléctrica en el circuito de colector) y la lámpara se encenderá.
Por tanto, el circuito descrito se comporta como un detector de luminosidad: la lámpara
se enciende cuando la LDR recibe luz y se apagará cuando se encuentre a oscuras.
La amplificación de un solo transistor
puede
no
ser
suficiente.
Se
puede
aumentar la capacidad de amplificación
conectando dos transistores en cascada,
tal y como se muestra en el siguiente
circuito:
Esta conexión recibe el nombre de Par Darlington: la
base
del
segundo
transistor
recibe
la
corriente
amplificada procedente del emisor del primer transistor;
la ganancia total del conjunto es:
β = β1⋅β2
Si se coloca un potenciómetro en lugar de R2
podremos tener un detector de luminosidad
regulable, ya que variando la posición del
potenciómetro se regulará el valor de la corriente
de base (y en consecuencia la corriente de
colector).
En todos los circuitos estudiados, la lámpara lucirá
con una intensidad luminosa proporcional a la
cantidad de luz que recibe la LDR (cuanto mayor sea I B más grande será el valor de I C y
más iluminará la lámpara).
La presencia de un relé en el colector, tal y
como se muestra en el siguiente circuito,
permite controlar con mayor precisión el
momento en el que la lámpara se apaga o se
enciende. Cuando la LDR se ilumine, circulará
una IB que dará lugar a su vez a una Ic.
Cuando Ic alcance un valor adecuado activará el relé, cerrándose así el circuito y se
encenderá la lámpara totalmente, y no de forma gradual como ocurría en los circuitos
anteriores.
El diodo se coloca para proteger al transistor y evitar que circule un exceso de corriente.
En la práctica se incluye también una resistencia de base. En la siguiente figura se
muestra el esquema completo de un interruptor accionado por luz:
Estos circuitos presentan un problema, y es que el relé sólo permanece activado
mientras la LDR permanezca iluminada. Sin embargo, a veces es deseable que el relé
siga activado aún cuando la LDR deje de iluminarse (por ejemplo, la puerta de un
garaje que se abre al iluminar un detector). En ese caso, tenemos que enclavar o
enganchar el relé. Para ello, usaremos el siguiente circuito:
Para mantener la corriente de base aunque dejemos de iluminar la LDR, tenemos que
“puentearla” de alguna forma. Al iluminarla, el relé cierra su contacto. Al hacer esto, la
corriente circula a través de este
circuito que se acaba de cerrar,
independientemente de la iluminación
que recibe la LDR. Por lo tanto,
mantenemos la corriente de base, por
lo que sigue habiendo corriente de
colector. Para desenganchar el relé,
basta con actuar sobre el pulsador
normalmente cerrado. Al abrir el
circuito, eliminamos la corriente de
base. Como la LDR está sin iluminar,
el relé se desactivará.
Asimismo, podemos construir un circuito
en el que el relé se active cuando deje de
iluminarse la LDR (por ejemplo, apertura
automática de una puerta cuando pasa
una persona). En este caso, hay que
intercambiar las posiciones de la LDR y
del
potenciómetro.
Si
la
LDR
está
iluminada, todo el potencial cae a través
de ella, por lo que no hay corriente de
base. Sin embargo, al oscurecerla, su
resistencia aumenta, por lo que parte del potencial cae a través del transistor,
apareciendo una corriente de base suficiente para activar el relé. Al igual que antes, el
relé sólo está activado mientras la LDR permanezca a oscuras. Se puede hacer
también un circuito de enganche, aunque bastante más complicado, porque se trata
de lograr que la parte del circuito correspondiente a la LDR permanezca siempre
abierto. Para ello, usaremos todos los contactos del relé. Con la LDR iluminada,
cerramos el circuito a través del contacto 1 y de la LDR, por lo que todo el potencial
cae a través de ella. Si dejamos de iluminar, activamos el relé, que pasa a la posición
2.
De
esta
forma,
nos
aseguramos que el circuito de
la LDR esté siempre abierto, ya
que
aunque
iluminar,
se
vuelva
el
normalmente
a
pulsador
abierto
impide
que el relé vuelva a la posición
1, ya que nos asegura la
corriente
de
base.
Para
desactivar el relé, basta con
activar el pulsador, de tal forma
que al no haber resistencia,
todo el potencial cae por esa
parte del circuito, eliminando la
corriente de base.
b) CONTROL DE TEMPERATURA
De forma análoga a los circuitos estudiados, se pueden fabricar circuitos de control de
temperatura utilizando termistores como dispositivos sensores:
- Utilizando un termistor NTC:
Si la temperatura es baja, la resistencia del
termistor NTC es grande y apenas circulará
corriente por la base de forma que el transistor se
encontrará en estado de corte. Sin embargo al subir
la
temperatura
disminuirá
la
resistencia
del
termistor y la corriente por la base será mayor; en
consecuencia el transistor empezará a conducir y se activará el motor (que podría
corresponder a un sistema de ventilación).
- Utilizando un termistor PTC:
Si la temperatura es alta, la resistencia del
termistor PTC es grande y apenas circulará
corriente por la base de forma que el transistor se
encontrará en estado de corte. Sin embargo al
bajar la temperatura disminuirá la resistencia del
termistor y la corriente por la base será mayor; en
consecuencia el transistor empezará a conducir y
se activará el sistema de calefacción.
En cualquiera de los dos circuitos considerados, el funcionamiento del sistema
controlado (ventilación o calefacción) es proporcional a la variación de temperatura. Si
se necesita un control más efectivo, que active y desactive el sistema controlado
cuando se alcance un valor establecido de temperatura, habrá que recurrir a la
incorporación de un relé en el
circuito. En la siguiente figura se
muestra
el
interruptor
temperatura:
esquema
accionado
de
un
por