Cuestionario de Electrónica
Transistores
Tema:
CUESTIONARIO DE ELECTRÓNICA 2 Objetivo: Resolver Resolver el cuestionario sobre transistores, para rendirla prueba fnal Reseña teórica: La prue prueba ba es pers person onal al y co cons nsta tará rá de 4 preg pregun unta tass teór teóric icas as y 2 diagramas o gráfcas de reerencia Cada Cada re!"# re!"#ta ta teóric teórica a co#te co#testa stada da corre correcta ctame# me#te te tie#e tie#e e$ va$or de %&' "#tos& Cada dia!rama o !r()ca correctame#te tie#e e$ va$or de %&' "#tos& Cada pregunta en blanco o anulada tiene el valor de !! puntos La respu respuest esta a a cual"u cual"uier ier pregu pregunta nta "ueda "ueda anulada anulada por cual"u cual"uier ier tac#ón o uso de corrector y no tiene valor $regunta $regunta contestada parcialmente tiene valor parcial $regun egunta ta gene genera rall co cont ntes esta tada da inco incorr rrec ecta tame ment nte e tien tiene e un valo valorr #e!ativo de %!2& puntos El tiempo de la prueba será de '! minutos Los estudiantes "uedaran suspendidos de la prueba tras dos llamadas de atención (olo se necesita un eserográfco a)ul o negro para reali)ar la prueba Los materiales son de uso personal, por lo "ue "ueda pro#ibido el uso com*n com*n de los mi mismo smos, s, estud estudian iantes tes sorpr sorprend endidos idos usando usando mater material ial com*n, tendrán un %+! puntos en su prueba •
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La prue prueba ba esta estará rá basa basada da en un tema tema *nic *nico, o, y las las preg pregun unta tass será serán n contestadas y validas *nicamente si son reerentes reerentes al tema indicado $ara cada tipo de transistor, responder a las siguientes preguntas ibu-ar los diagramas indicados
*re!"#tas: + Estructura y (imbolog.a del transistor 2 Comportamiento del transistor en corriente directa e inversa / Curvas caracter.sticas del transistor, seg*n su polaridad 4 Encapsulado del transistor & 0plicaciones del transistor ' iagrama de uncionamiento básico del transistor, basada en alguna de sus aplicaciones
Tra#sistores: + Transistores 1ipolares 1T 2 Transistores de eecto de campo de unión 3ET / Transistor de eecto de campo de compuerta aislada 53ET 4 Transistor de eecto de campo 67( 8 67(3ET
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Transistores
Tra#sistores +io$ares +,T %& Estr"ct"ra - Simbo$o!.a de$ tra#sistor El transistor es un dispositivo de tres )onas o capas $odemos tener una )ona de material tipo n en medio de dos )onas de material tipo p, en este caso se denomina transistor pnp, o bien tener una )ona tipo p con dos )onas tipo n a cada lado, en cuyo caso estar.amos #ablando de un transistor npn La )ona central se denomina base, y las laterales emisor y colector Cada una de las )onas consta de un terminal por donde e9traer las corrientes Estos terminales se representan por la inicial del nombre de la )ona respectiva: E ;emitter<, 1 ;base< y C ;colector<
3ig + Tipos y s.mbolos de transistores bipolares a< Transistor =$= b< Transistor $=$
2& Comortamie#to de$ tra#sistor e# corrie#te directa e i#versa 0#ora estamos ante un dispositivo "ue tiene dos uniones, una unión entre las )onas de emisor y base ;"ue denominaremos a partir de a#ora unión de emisor E< y otra unión entre las )onas de base y colector ;de "ue denominaremos unión de colector C<, cada una de las cuales puede ser polari)ada en las dos ormas en directa e inversa 0s., desde el punto de vista global del dispositivo tenemos cuatro )onas de uncionamiento posibles en unción del estado de polari)ación de las dos uniones (i polari)amos las dos uniones en directa, diremos "ue el transistor está traba-ando en la )ona de saturación En el caso de "ue la unión de emisor la polaricemos en directa y la unión de colector en inversa, estaremos en la )ona activa Cuando las dos uniones se polari)an en inversa, se dice "ue el transistor está en la )ona de corte $or *ltimo, si la unión de emisor se polari)a en inversa y la unión de colector en directa, el transistor se encuentra en activa inversa e las cuatro )onas, las mencionadas en primer lugar son las más interesantes desde el punto de vista del uncionamiento del transistor, siendo la )ona activa inversa una )ona puramente teórica y sin inter>s práctico
/& C"rvas caracter.sticas de$ tra#sistor0 se!1# s" o$aridad 2
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La 3igura muestra las curvas caracter.sticas de un bipolar t.pico 7bserve "ue la curva caracter.stica de la entrada ; iB en unción de vBE< es similar a la curva caracter.stica en polari)ación directa de la unión pn Las curvas caracter.sticas de salida muestran "ue la corriente de colector es independiente de la tensión colector%emisor vCE, mientras vCE sea mayor de unos !,2 ? (upongamos "ue vCE es mayor "ue vBE, de manera "ue la unión del colector está polari)ada en inversa En estas condiciones, los electrones no pueden cru)ar del colector a la base 0s., el n*mero de electrones "ue @uyen #acia la base viene dado por la tensión "ue se aplica a la unión del emisor $or tanto, en una primera apro9imación, el n*mero de electrones "ue entran en el colector depende sólo del grado de polari)ación directa de la unión del emisor, y es independiente del grado de polari)ación inversa de la unión del colector $ara !,2A? CEA?BE, la unión del colector se #alla polari)ada en directa, pero sólo por unas pocas d>cimas de voltio: no lo sufciente como para causar una corriente directa signifcativa
& E#cas"$ado de$ tra#sistor % El T7%B2: $ara la amplifcación de pe"ueas seales La asignación de patitas ;emisor % base % colector< no está estandari)ado
% El T7%+D: Es metálico En la carcasa #ay un pe"ueo saliente "ue indica "ue la patita más cercana es el emisor
% El T7%/B: tiene el mismo aspecto "ue es T7%+D, pero es más grande, pero tambi>n tiene la patita del colector pegado a la carcasa, para eectos de disipación de calor
% El T7%+2': En aplicaciones de pe"uea a mediana potencia $uede o no utili)ar disipador dependiendo de la aplicación en ser este /
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utili)ando (e f-a al disipador por medio de un tornillo aislado en el centro del transistor (e debe utili)ar una mica aislante
% El T7%22!: ebe disipar potencia algo menor "ue con el encapsulado T7%/, y al igual "ue el T7%+2' debe utili)ar una mica aislante si va a utili)ar disipador, f-ado por un tornillo debidamente aislado
% El T7%/: En transistores de gran potencia (e usan principalmente en amplifcadores de alta potencia, instrumentos de medición, aplicaciones militares, inversores, o muc#os circuitos "ue re"uieren de una buena disipación de calor Está abricado de metal y es muy normal ponerle un disipador para liberar la energ.a "ue este genera en calor Este disipador no tiene un contacto directo con el cuerpo del transistor, pues este estar.a conectado directamente con el colector del transistor $ara evitar el contacto se pone una mica para "ue sirva de aislante y a la ve) de buen conductor t>rmico
El emisor y la base se encuentran ligeramente a un lado y si se pone el transistor como se muestra en la fgura, al lado i)"uierdo estará el emisor y la derec#a la base '& A$icacio#es de$ tra#sistor Los transistores tienen multitud de aplicaciones, entre las "ue se encuentran: 0mplifcación de todo tipo ;radio, televisión, instrumentación< 5eneración de seal ;osciladores, generadores de ondas, emisión de radiorecuencia< Conmutación, actuando de interruptores ;control de rel>s, uentes de alimentación conmutadas, control de lámparas, modulación por anc#ura de impulsos $F6< etección de radiación luminosa ;ototransistores< • •
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3& Dia!rama de 4"#cio#amie#to b(sico de$ tra#sistor0 basada e# a$!"#a de s"s a$icacio#es& EL 06$L3C07R E (EG0LE( 0LTER=0( El mundo está lleno de pe"ueas seales "ue necesitan amplifcarse para procesar la inormación "ue contienen $or e-emplo: una guitarra el>ctrica El movimiento de una cuerda metálica en el interior de un campo magn>tico ;creado por los captadores o pastillas< provoca una pe"uea variación de tensión entre dos terminales de una bobina $ara "ue esa d>bil seal pueda llegar a los o.dos de todo un auditorio, es evidente "ue se necesita una amplifcación La seal producida por 4
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la pastilla de la guitarra via-a por un par de terminales #asta el amplifcador 0"u. se produce la transormación de la pe"uea seal, "ue es capa) a#ora de e9citar la membrana de un altavo) con la potencia "ue se desee El es"uema más sencillo de amplifcador de seales es el propio transistor bipolar
Circuito con un transistor bipolar.
+ (ólo amplifca la parte positiva de la seal: Cuando "ue !,H ? I pasa al estado de corte, con lo "ue
es menor
2 Re"uiere seales de tensión grandes, por lo menos mayores "ue !,H ?, ya "ue la seal de entrada #a de polari)ar en directa la unión 1E y llevar el transistor a la R0= Con este dispositivo sólo se puede traba-ar con seales positivas mayores de !,H ? $or lo tanto no es capa) de amplifcar seales de alterna
Tra#sistores de e4ecto de camo de "#ió# ,5ET %& Estr"ct"ra - Simbo$o!.a de$ tra#sistor El transistor de eecto de campo de unión, tambi>n denominado 3ET ;iniciales de su nombre en ingl>s Junction Field Efect Transistor < es un dispositivo de tres terminales La corriente @uye entre los terminales de drenador y surtidor, y está controlada por la tensión aplicada entre el terminal de puerta y el de surtidor Jay dos tipos de 3ET: el de canal = y el de canal $ (us estructuras .sicas simplifcadas y sus s.mbolos se representan en la fgura
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Estructura ísica y símbolo del JFET. a) De canal N. b) De canal P
2& Comortamie#to de$ tra#sistor e# corrie#te directa e i#versa Este tipo de transistor se polari)a de manera dierente al transistor bipolar La terminal de drena-e se polari)a directamente con respecto al terminal de uente ;? dd< y la compuerta se polari)a inversamente con respecto a la uente ;%? gg< 0 mayor volta-e %? gg, más angosto es el canal y más di.cil para la corriente pasar del terminal drenador ;drain< al terminal uente o source La tensión %?gg para la "ue el canal "ueda cerrado se llama punc!of y es dierente para cada 3ET
/& C"rvas caracter.sticas de$ tra#sistor0 se!1# s" o$aridad 0l #acer un barrido en corriente directa, se obtienen las curvas caracter.sticas del transistor 3ET Las curvas caracter.sticas t.picas para estos transistores se encuentran en la imagen, nótese "ue se distinguen tres )onas importantes: la )ona ó#mica, la )ona de corte y la )ona de saturación =ótese, en la fgura, "ue conorme ?( aumenta desde cero, se alcan)a un punto de ruptura en cada curva, más allá del cual la corriente de drena-e se incrementa muy poco a medida "ue ?( continua aumentando El estrec#amiento se produce en este valor de la tensión drena-e a uente Los valores de estrec#amiento de la fgura & están conectados con una curva ro-a "ue separa la región o#mica de la región activa Conorme ?( continua aumentando más allá del punto de estrec#amiento, se alcan)a un punto donde la tensión entre drena-e y uente se vuelve tan grande "ue se produce ruptura por avalanc#a En el punto de ruptura, i aumenta lo sufciente, con incrementos insignifcantes en ?( Esta ruptura se produce en la terminal de drena-e de la unión compuerta%canal $or tanto, se produce avalanc#a cuando la tensión drena-e%compuerta, ?5, e9cede la tensión de ruptura ;para ?5(K!v<, para la unión pn En este punto, la caracter.stica i%?( e9#ibe la peculiar orma mostrada a la derec#a de la fgura
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& E#cas"$ado de$ tra#sistor C(s"$a TO6/& (e utili)a para transistores de gran potencia, "ue siempre suelen llevar un radiador de aluminio "ue ayuda a disipar la potencia "ue se genera en >l 0rriba a la i)"uierda vemos su distribución de terminales, observando "ue el colector es el c#asis del transistor =ótese "ue los otros terminales no están a la misma distancia de los dos agu-eros 0 la derec#a vemos la orma de colocarlo sobre un radiador, con sus tornillos y la mica aislante La unción de la mica es la de aislante el>ctrico y a la ve) conductor t>rmico e esta orma, el colector del transistor no está en contacto el>ctrico con el radiador
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C(s"$a TO6227& (e utili)a para transistores de menos potencia, para reguladores de tensión en uentes de alimentación y para tiristores y triacs de ba-a potencia 5eneralmente necesitan un radiador de aluminio, aun"ue a veces no es necesario, si la potencia "ue van a disipar es reducida 0ba-o vemos la orma de colocarle el radiador y el tornillo de su-ección (e suele colocar una mica aislante entre el transistor y el radiador, as. como un separador de plástico para el tornillo, ya "ue la parte metálica está conectada al terminal central y a veces no interesa "ue entre en contacto el>ctrico con el radiador C(s"$a TO6%23& (e utili)a en transistores de potencia reducida, a los "ue no resulta generalmente necesario colocarles radiador 0rriba a la i)"uierda vemos la asignación de terminales de un transistor 1T y de un Tiristor 0ba-o vemos dos transistores "ue tienen esta cápsula colocados sobre pe"ueos radiadores de aluminio y f-ados con su tornillo correspondiente C(s"$a TO682& Es muy utili)ada en transistores de pe"uea seal En el centro vemos la asignación de terminales en algunos modelos de transistores, vistos desde aba-o 0ba-o vemos dos transistores de este tipo montados sobre una placa de circuito impreso =ótese la indicación D
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TR& de la serigra.a, "ue indica "ue en ese lugar va montado el transistor n*mero & del circuito, de acuerdo al es"uema el>ctrónico C(s"$a TO6%9& (e utili)a en transistores de pe"uea seal (u cuerpo está ormado por una carcasa metálica "ue tiene un saliente "ue indica el terminal del Emisor
C(s"$a mi#iat"ra& (e utili)a en transistores de pe"uea seal 0l igual "ue el anterior, tienen un tamao bastante pe"ueo
'& A$icacio#es de$ tra#sistor El 3ET posee bastantes aplicaciones, como son: interruptores analógicos, multiple9ores, control automático de ganancia C05 en receptores de radio, amplifcadores de pe"uea seal en receptores de radio y T?, troceadores o c#oppers, etc En la fgura, se muestra un e-emplo de interruptor analógico con un 3ET (i a este circuito se le aplica una tensión ?5(K!, el transistor entrará en saturación y se comportará como un interruptor cerrado $or otro lado, si la tensión aplicada es ?5(K?5(;apag<, el transistor se pondrá en corte y actuará como un interruptor abierto 3& Dia!rama de 4"#cio#amie#to b(sico de$ tra#sistor0 basada e# a$!"#a de s"s a$icacio#es& Cuando se utili)a un 3ET como interruptor, se le #ace traba-ar *nicamente en dos estados, corte y saturación
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Tra#sistor de e4ecto de camo de com"erta ais$ada I5ET %& Estr"ct"ra - Simbo$o!.a de$ tra#sistor El transistor de eecto campo de puerta aislada ;53ET< difere del 3ET por la adición de una capa de dió9ido de silicio sobre el 3ET y luego una capa de nitruro de silicio El resultado es un dispositivo "ue tiene una impedancia de entrada a*n mayor El ob-etivo de la impedancia de entrada e9tremadamente alta es permitir al amplifcador mostrar alguna seal de salida, con un m.nimo de carga o de intererencia en la uente de seal de entrada
2& Comortamie#to de$ tra#sistor e# corrie#te directa e i#versa El %67(3ET puede ser operado en cual"uiera de dos modos: el modo de empobrecimiento o el modo enri"uecimiento, por ello tambi>n se conoce como 67(3ET de empobrecimientoenri"uecimiento Como la compuerta está aislada del canal, se puede aplicar en ella un volta-e positivo o un volta-e negativo El 67(3ET de canal n opera en el modo de empobrecimiento cuando se aplica un volta-e positivo de compuerta a uente, y en modo de enri"uecimiento cuando se aplica un volta-e positivo de compuerta a uente Estos dispositivos en general se operan en el modo de empobrecimiento&
;odo de emobrecimie#to& mag.nese la compuerta como la placa de un capacitor de placas
paralelas y el canal como la otra placa La capa aislante de bió9ido de silicio es el diel>ctrico Con un volta-e negativo en la compuerta, las cargas negativas en >sta repelen los electrones de conducción provenientes del canal y de-an a los iones positivos en su lugar $or esto, +!
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el canal n se "ueda sin algunos de sus electrones, por lo "ue disminuye la conductividad del canal 6ientras más grande es el volta-e negativo en la compuerta, más grande es el empobrecimiento de electrones en el canal n Con una volta-e de compuerta a uente sufcientemente negativo, ?5(;corte<, el canal se empobrece totalmente y la corriente en el drena-e es cero El modo de empobrecimiento se ilustra en la fgura D% /H;a< 0l igual "ue el 3ET de canal n, el %67(3ET de canal n conduce corriente en el drena-e con volta-es de compuerta a uente entre ?5(;corte< y cero 0demás, el %67(3ET conduce con valores de ?5( por encima de cero
;odo de e#ri<"ecimie#to
Con un volta-e positivo en la compuerta, más electrones de conducción son atra.dos #acia el canal, por lo "ue la conductividad de >ste se enri"uece ;incrementa<, como ilustra la fgura D%/H;b<
/& C"rvas caracter.sticas de$ tra#sistor0 se!1# s" o$aridad
& E#cas"$ado de$ tra#sistor
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'& A$icacio#es de$ tra#sistor Los 51T tienen aplicaciones crecientes en potencias intermedias, como por e-emplo propulsores de motores de C y C0, uentes de corrientes, relevadores de estado sólido, y contactores 0 medida "ue los limites superiores de las especifcaciones de 51T disponibles en el comercio aumentan ;#asta '&!!? y 24!!0<, están encontrando aplicaciones donde se usan los 1T y los 67(3ET convencionales principalmente como interruptores llegando a sustituirlos 3& Dia!rama de 4"#cio#amie#to b(sico de$ tra#sistor0 basada e# a$!"#a de s"s a$icacio#es&
En la figura 9-12 se muestra un D-MOSFET de canal n en fuente común polarizado en cero con una fuente de ca acoplada capacitivamente a la compuerta !sta se encuentra a apro"imadamente # $ de ca % la terminal fuente est& a tierra' as( )ue $*S+# $
Tra#sistor de e4ecto de camo ;OS = ;OS5ET %& Estr"ct"ra - Simbo$o!.a de$ tra#sistor Los transistores MOSFET o Metal-Oxido-Semiconductor (MOS) son dispositivos de efecto de campo que utilizan uncampo eléctrico para crear una canal de conducción. Son dispositivos más importantes que los JFET ya que la mayor parte de los circuitos integrados digitales se construyen con la tecnología MOS. Existen dos tipos de transistores MOS: MOSFET de canal N o NMOS y MOSFET de canal o PMOS. ! su vez" estos transistores pueden ser de acumulación #en$ancement% o deplexion #deplexion
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3ig D2 Transistor "#$ de acumulaci%n de canal P. a) Estructura ísica. b) $ímbolo.
(u s.mbolo se dierencia del anterior por el sentido de la @ec#a del terminal 1 En este caso, va en el sentido del canal $ #acia el sustrato = 2& Comortamie#to de$ tra#sistor e# corrie#te directa e i#versa E$ tra#sistor ;OS e# co#ti#"a Cuando las tensiones aplicadas en los terminales del transistor 67( var.en muy lentamente, las corrientes por los condensadores serán muy pe"ueas y >stos podrán ignorarse En este caso, el transistor 67( se comporta como una uente dependiente conectada entre drenador y surtidor controlada por las tensiones aplicadas a sus terminales 7bs>rvese entonces "ue la corriente de puerta i5 es nula, as. como tambi>n lo es la corriente de sustrato En este caso, el circuito e"uivalente de la fgura D& se reduce a una uente de corriente entre drenador y surtidor, cuyo valor depende de la tensión v5( $or esto, se dice "ue el 67( es un dispositivo controlado por tensión, no por corriente, como era el caso del transistor bipolar
3ig D& 6odelo del transistor 67( de canal =
/& C"rvas caracter.sticas de$ tra#sistor0 se!1# s" o$aridad +/
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Transistores
En la fgura D' se representan las curvas caracter.sticas de un transistor 67( de canal = $ara cada valor de v5( #ay una curva de la corriente de drenador en unción de la tensión entre drenador y surtidor $ara v5( menor o igual a ?T las curvas coinciden con el e-e de abscisas: la corriente de drenador es nula 0 medida "ue v5( aumenta por encima de ?T la corriente va creciendo
Fi&. '.( a) Curas características de drenador de un transistor "#$ de canal N. b) Cura de transerencia en la re&i%n de saturaci%n
& E#cas"$ado de$ tra#sistor En algunos casos nos encontramos con 6oset (6 con encapsulado (7T%22/ o T7%2'+00 cuyo n*mero indicado en el encapsulado son 2 letras y / n*meros como por e-emplo LL!+4 o 3L!+', para poder ubicar su #o-a de datos debemos agregarle el pref-o R Cuando el encapsulado es $0M o 2$0M traen en el encapsulado el n*mero de identifcación completo y en algunos se le agrega el pref-o R Cuando el encapsulado es (7C%D verifcamos el logo para determinar "ui>n es el abricanteN si es nternational Rectifer le agregamos el pref-o R3, si es ?(J0O se le agrega el pref-o ( El n*mero de partes es de 4 d.gitos
'& A$icacio#es de$ tra#sistor igitales 0l blo"uear eectivamente el @u-o de la corriente directa ;C< por el canal, los transistores 67(3ET reducen el consumo de energ.a y permiten las impedancias grandes, lo "ue, a su ve), tiene como resultado una alta capacidad de diseminación Los diseadores utili)an este aislamiento de la compuerta y el canal para me-orar el desempeo 0nalógicos Como los transistores 67(3ET pueden operarse a volta-es de corriente de puerta cero as. como tambi>n a volta-es de drena-e%uente, son dispositivos de intercambio ideales 0demás, se pueden grabar sobre un c#ip de silicona para "ue act*en como resistores de precisión y como capacitores, con lo "ue se puede #acer circuitos análogos completos en un solo c#ip Como interruptores +4 •
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Los volta-es de transmisión aplicados a la terminal de compuerta de un transistor 67(3ET pueden utili)arse para encender o apagar dic#os transistores La velocidad de uncionamiento de los interruptores tambi>n puede conducirse y permitir el paso de corrientes altas y ba-as Este control de los 67(3ET los #ace más eectivos como interruptores en comparación con los transistores de empalme bipolares ' Dia!rama de 4"#cio#amie#to b(sico de$ tra#sistor0 basada e# a$!"#a de s"s a$icacio#es E$ ;OS como tra#sistor de aso Consid>rese el circuito de la fgura D2+ en el "ue se supone un transistor de acumulación de canal = En este circuito el transistor 67( act*a como un interruptor Cuando la tensión "ue se aplica a la puerta es nula, el transistor está en corte y e"uivale a un circuito abierto Cuando dic#a tensión toma un valor elevado ;nivel alto< el transistor e"uivale a una pe"uea resistencia, R(;on<, "ue conecta los circuitos + y 2
3ig D2+ El transistor 67( de canal = actuando como transistor de paso $ara "ue el transistor de paso se apro9ime a un interruptor ideal se re"uiere "ue R(;on< sea pe"uea, por lo "ue se necesita el mayor valor posible para v5(
Co#c$"sió#: 6ediante la reali)ación de este cuestionario se pudo comprender de me-or manera la estructura, el uncionamiento y la curva caracter.stica de los dierentes tipos de transistores
+ib$io!ra4.a: + Llu.s $rat ?ias, Circuitos y dispositivos electrónicos 2 0llan R Jambley, Electrónica % 2da Edición
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