ELECTRONICA BÁSICA
TRANSISTOR:
¿QUE ES, PARA QUE SIRVE, COMO FUNCIONA.?
La señal de radio o televisión recibida por una antena es tan débil que no sirve para excitar una alta voz o un tubo de televisión. Por esto dicha señal debe amplificarse hasta que tenga la potencia suficiente para ser útil.
En 1951, el tubo de vacío era el elemento principal empleado para amplificar señales débiles a pesar de que amplifica muy bien, el tubo de vacío tiene varias desventajas, en primer lugar, posee un filamento interno de calentamiento que consume un vatio de potencia. En segundo lugar, su vida dura unos cuantos niveles de horas, ocupa demasiado espacio, disipa calor que eleva la temperatura interna del equipo electrónico.
En 1951, Shockley invento el primer transistor de unión, un dispositivo semiconductor capaz de amplificar señales de radio y televisión. Las ventas del transistor superan las desventajas del tubo sin vacío.
No tiene filamento calefactor; por lo tanto consume una potencia mucho menor
Como es un dispositivo semiconductor, puede durar indefinidamente
Como es pequeño ocupa menor espacio, son más livianos
Son más eficientes, puesto que el dispositivo absorbe menos potencia
Es posible trabajar con voltaje más bajos, etc
Transistor sin polarización.
Un transistor tiene tres regiones de impurificación como lo indica la figura a continuación. La región de abajo es el emisor, la región central es la basa y la región de arriba es el colector, Este transistor en particular es un dispositivo NPN.
Diodos del emisor y el colector.
El transistor de la figura (a) tiene dos uniones: una entre el emisor y la base y otra entre la base y el colector. Por esto, un transistor es similar a dos diodos. El emisor y la base forman uno de los diodos, mientras que el colector y la base formar el otro.
Antes y después de la difusión.
La figura (a) muestra las regiones del transistor antes de que ocurra difusión, los electrones libres de la región N se difunden a través de la unión y se denominan los huecos de lado P.
Imagínese los electrones libres de cada región N atravesando la unión y recombinándose con los huecos. El resultado son dos capas de empobrecimiento mostrados en la figura (b).
Nota: En cada una de estas capas de empobrecimiento, la barrera de potencia es aproximadamente de 0.7V a 25 ͦ C (Silicio)
Transistor polarizado.
Un transistor sin polarización es similar a dos diodos contrapuestos. Cada diodo tiene una barrera de potencia de 0.7 Volt. S i se conectan fuentes de voltaje externas al transistor, se obtiene resultados nuevos.
Electrones del emisor.
El emisor está fuertemente impurificado, su función consiste en emitir o inyectar electrones libres a la base. Esta es muy delgada y tiene una impurificación muy ligera, deja pasar hacia el colector la mayor parte de los electrones inyectados por el emisor.
El nivel de impurificación del colector es un valor intermedio entre la fuente impurificación del emisor y la ligera impurificación de la base. El colector se llama así por colectar o recoger electrones provenientes de la base.
Nota: La fuente de la izquierda polariza directa mente el diodo emisor, y la fuente de la derecha polariza inversamente y el diodo colector.
Electrones de la base.
Si VBB es mayor que la barrera de potencia, los electrones del emisor entraran a la región de la base como se observa en la figura anterior.
Estos electrones libres pueden circular en cualquiera de dos direcciones. Por otra parte, pueden circular hacia la izquierda saliendo de la basa, pasando a través de RB en su cambio hacia la terminal positiva de la fuente. Por otra parte, los electrones libres pueden circular hacia el colector. ¿Cuál es la trayectoria que sigue la mayor parte de los electrones libre? La mayor parte de los electrones seguirán camino hacia el colector ¿Por qué? Por dos razones
La poca impurificación de la base
La base es muy angosta
Dicho en otras palabras, para fluir fuera de la base hacia el resistor externo, los electrones libres deben primero recombinarse con los huecos de la base. Luego, ya como electrones de valencia, pueden fluir hacia la izquierda hasta salir de la base y entrar al conductor externo de conexión. Como la impurificación de la base es pequeña, y además la base es angosta, muy pocos electrones pueden recombinarse y escapar por la conexión exterior.
Electrones del colector.
Casi todos los electrones libres van hacia el colector como se ve en la figura a continuación.
Estando ya en el colector, sienten la atracción del voltaje VCC.A consecuencia de esto, circulan a través del colector y a través de RC hasta que alcanzan la terminal positiva de la tensión de la fuente del colector.
Resumiendo lo que sucede, se tiene lo siguiente:
VBB polariza directamente el diodo emisor forzando los electrones dele emisor entrar a la base. La delgada y apenas impurificada base les da a casi todos ellos el tiempo suficiente para difundirse en el colector. Estos electrones circulan a través del colector, a través de RC y hacia el terminal positivo de la fuente de voltaje VCC. En la mayor parte de los transistores, más del 95% de los electrones del emisor fluyen hacia el colector, menos del 5% fluyen hacia la conexión exterior de la base.
Construcción del transistor.
El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas que consta de dos capas de materiales tipo N y uno de material tipo P, o dos capas de material tipo P, y uno de material tipo N. El primero se denomina un transistor NPN, mientras que el último se denomina un transistor PNP.
Las capas exteriores del transistor están fuertemente dopadas por materiales semiconductores que tienen anchos muchos mayores que aquellos que los emparedados de material tipo P o tipo N.
La razón del ancho total al de la capa del centro es 0.150/0.001= 150:1. El dopado de la capa de emparedado es también considerablemente menor que la de las capas exteriores (típicamente 10:1)
El transistor
Es un elemento semiconductor de 3 terminales. Dos materiales tipo N separados dos por un material tipo P; esto referente al transistor NPN. Para el transistor tipo P tenemos dos materiales semiconductores tipo P separados por un material tipo N. En el NPN los portadores mayoritarios son electrones y en el PNP los portadores mayoritarios son los huecos o cargas positivas.
Nota: en ambos transistores el funcionamiento es igual. La corriente en (ambos) transistores NPN, PNP, están en sentido contrario. Los transistores tienen tres elementos terminales que son: emisor (E), colector(C), base(B).
Características
Las capas de los extremos (E a C) están fuertemente dopados en ambos transistores. En el PNP de huecos (cargas positivas). En el NPN de electrones (cargas negativas) en una relación 1:100 al dopaje de la base.
1:100
Base C o E
Nota: Por cada carga positiva hay 100 cargas negativas (NPN)
La capa de la base esta poco dopada y su ancho es muy pequeño comparado con el emisor y el colector. Su ancho esta en relación de 1:150 con los anchos del emisor y colector.
Emisor: Emite cargar negativas si el transistor es NPN o huecos si es PNP.
Base: Controla flujo de cargas provenientes del emisor
Colector: Recolecta o recibe cargas que vienen del emisor, si es NPN capta electrones, si es PNP capta huecos o cargas positivas.
Funcionamiento.
La unión base emisor esta polarizado directamente por VBE (se comporta como un diodo),
La unión base colector esta polarizado inversamente por VCE (Por diseño VCE>VBE)
Debido a la polarización directa entre la base y el emisor existe un gran flujo de electrones del emisor a la base, como la base es tan pequeña, la mayoría de los electrones atraviesan la base y llegan al colector, creándose en el colector una concentración muy grande de electrones que luego son atraídos por la fuente VCE.
El flujo de electrones que salen del emisor es muy grande, lo que implica que IE es del orden de (mA).
Nota: La corriente tiene sentido contrario al flujo de electrones.
El flujo de electrones que salen por la base es pequeña, lo que implica que IB es del orden de (mA); el flujo de electrones del colector es alto (mA)
Para el transistor se cumple:
Símbolo electrónico.
Caracteristicas voltiamperimetricas.
Características de entrada.
Características de OUT.
Corrientes y parámetros del transistor.
Nota: En la práctica cuando un diodo esta polarizado inversamente existe una corriente muy pequeña que circula por el llamado corriente de saturación. Esa corriente de saturación, esa corriente se le llama ICBO.
ICBO = Corriente entre el colector y base con el emisor
Para mayor exactitud en las corrientes de un transistor debemos suponer ICBO= ICO
Si en (a) la base está abierta, IB=0, la expresión se convierte en:
Ejemplo
Para el siguiente circuito. Calcular I,V en el transistor, dicho transistor tiene β=100 y además es de silicio.
Diseño de circuitos amplificadores.
Polarización fija:
Circuito básico
Nota: Los condensadores separan la señal de C.D de la C.A
Circuito equivalente para C.D
Criterio practico de diseño
(1 )Es ecuación de la recta de carga estática o D.C
Esta ecuación reflejada en la característica de salida del transistor será:
Escogemos un punto Q (pto de operación) en la zona central de las características del transistor y con la ecuación (1) de pendiente negativa hallamos los interceptos con los ejes y trazamos dicha recta pasando por el punto Q.
Interceptos: IEQ = 2.8 mA ————— Ic= 6mA
VCE= 12.5 Volt.
Nota: El punto Q debe estar en la zona central de las características.
Del punto Q y la RCE queda determinadas en los siguientes valores
Amplificador de voltaje empleando divisor de tensión
Circuito básico
Este circuito es muy empelado como amplificador de voltaje, pues es muy estable a cambios de temperatura. Se llama por divisor de voltaje porque para su diseño R1 y R2 forman un divisor de voltaje a la entrada
Nota: Los condensadores de paso separan circuito C.D del circuito de C.A
Circuito equivalente de C.D
Según teorema de Thévenin y Norton:
El circuito original se simplifica y queda de la siguiente manera:
A partir de este circuito y con la relación 1 y 2 resueltas simultáneamente tenemos:
Diseñar un circuito de polarización para un amplificador con divisor de voltaje; para un punto Q de las características de un transistor así:
Aplicando criterios prácticos
Para cada uno de los siguientes circuitos. Calcular IB, IC, IE y los voltajes a través del transistor VCB O VCE. Asuma VBE y ICBO (ICEO) como cero.
Saludos profe Dany
