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Oposiciones Secundaria – Tecnología Transistores
1. El transistor En el año 1951, cuando Shockley inventó el transistor de unión, empezó una verdadera revolución electrónica que ha superado a lo largo de los años todas las previsiones iniciales. Con el transistor se consiguió la miniaturización de los componentes y se llegó al descubrimiento de los circuitos integrados formados por miles de transistores. La sustitución en los montajes electrónicos de las válvulas de vacío para los transistores reduce al máximo las pérdidas de calor de los equipos y hace posible la construcción de fuentes de alimentación muy ajustadas a los consumos reales. Esencialmente, un transistor es un componente que posibilita dos funciones muy importantes: por una parte, permite, de forma estática, dejar pasar o cortar las señales eléctricas a partir de una pequeña señal de mando; por otra parte, funciona como un elemento amplificador de señales. Un transistor consta de tres cristales de silicio (pueden ser PNP o NPN) que realizan las mismas funciones y sólo se diferencian por su forma de alimentación. De todas maneras, se utilizan preferentemente los NPN porque son más fáciles de fabricar.
2. Funcionamento del transistor En la figura siguiente puede verse la simbología y la nomenclatura de los terminales del transistor que corresponden a cada cristal. El primer cristal, denominado emisor, está altamente dopado y su función es inyectar electrones a un segundo cristal, denominado base, que sólo está ligeramente dopado y que, además, es muy delgado. El tercer cristal, llamado colector, es el más grande y se encuentra en un nivel de dopaje intermedio entre el emisor y el base. Se forman dos uniones: la del diodo emisor con el base y la del diodo base con el colector. Estas uniones constituyen dos barreras de potencial de aproximadamente 0,7 V en los transistores de silicio, los más utilizados.
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Para que la ilustración anterior sea más clara, sólo se han dibujado los electrones y los huecos en los cristales y se han omitido los átomos de silicio y los iones de impurezas. 3. Polarización del transistor Se entiende por polarización del transistor las conexiones adecuadas que hay que realizar con corriente continua para que pueda funcionar correctamente. Si conectamos dos pilas, como se ve en la figura siguiente, con el diodo base-emisor, polarizado directamente y el diodo base-colector, polarizado inversamente, vemos que sucede lo siguiente: Como el diodo base-emisor está polarizado directamente, siempre que la tensión supere la barrera de potencia (0, 7 V para el silicio) habrá una gran corriente de electrones del emisor. Esta corriente pasa al colector prácticamente en su totalidad y va a parar al ánodo de la pila que la alimenta.
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Esto ocurre por dos motivos: el bajo dopaje de la base y su reducido grosor. Así, se cumple que: I E =I B + I C Como I C es aproximadamente igual a I E , resulta que I B es muy pequeño. Se define el parámetro β como la relación: IC , cuyo valor puede estar entre 50 y 300, y en algunos IB transistores llega a 1.000. β =
Los transistores pueden montarse de tres maneras distintas. En la mayoría de los casos, las dos fuentes tienen un terminal común con el emisor; por tanto, el montaje se llama montaje con emisor común. Sin embargo, a veces lo tienen con la base (con base común), y otras con el colector (con colector común), como se ve en las figuras siguientes:
base común
colector común
emisor común
En la práctica no se utilizan dos pilas, ya que son poco prácticas, y se consigue la polarización de la base mediante resistencias a partir de una pila única. 4. Curvas características Fijémonos en el esquema de la figura siguiente, en el que el circuito de base-emisor está alimentado por una fuente de tensión continua UBB y una resistencia limitadora de valor R B ; la tensión entre base y emisor es U BE (> 0,7 V). Variando R B se puede controlar la corriente de base I B de forma que a la vez pueda controlarse la corriente del colector I C .
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IB=
U BB − U BE RB
El otro circuito formado entre el colector y el emisor, con una tensión U CE , está polarizado inversamente con U CC a través de una resistencia limitadora R C . Para que funcione correctamente el transistor, U CE tiene que ser como mínimo superior a 1 V. Se cumple: U CE = U CC - R C · I C Las curvas típicas de funcionamiento de un transistor son las siguientes:
En la figura anterior vemos como para una intensidad de base dada, por ejemplo10 µA., y variando R C , se obtienen diferentes valores de IC y U CE , componiendo la gráfica. Hay que distinguir una zona, llamada de saturación, en la que para U CE =0 V.; hasta aproximadamente UCE =1V., la intensidad del colector sube rápidamente. Para valores superiores de I C , la curva es horizontal, correspondiendo a la llamada zona lineal o activa. Finalmente, si se supera un cierto valor se llega a la zona de ruptura, en la que se destruye la unión.
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Si ahora varía I B hasta un valor de 20 µA mediante R B , obtenemos una curva parecida a la anterior, y así sucesivamente hasta llegar a los valores máximos tolerables para el transistor. Obtenemos así la familia de curvas características. Una última zona de funcionamiento es la de corte, que corresponde a I B = 0, es decir, la zona en la que el transistor no conduce.
En resumen, en la zona de ruptura el transistor nunca debe trabajar, mientras que en la zona de saturación y corte es donde se aprovecha el transistor para que conduzca o no: actúa como interruptor a partir de la existencia o ausencia de una pequeña señal en la base La zona activa o lineal es donde se aprovecha el transistor como amificador de señales, ya que las pequeñas variaciones en la entrada de la base len amplificadas por el colector. 5. Recta de carga Cuando se quieren calcular los parámetros de trabajo de un transistor hay que establecer la recta de carga, superpues a la familia de curvas del transistor. Esta recta representa las condicioness de trabajo para un circuito determinado y, por tanto, todos los posibles puntos de funcionamiento del transistor: - Punto de saturación: indica la máxima corriente de colector que es U posible alcanzar por el circuito (U CE = 0 V. ). Este punto viene dado por I C = CC RC es decir, es como si el circuito emisor-colector fuese un interruptor cerrado. - Punto de corte: indica la tensión del emisor colector cuando su intensidad es prácticamente nula y U CE = U CC , es decir, es como si el circuito emisor colector fuese un interruptor abierto.
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Para que el transistor trabaje en la zona lineal, se escoge un punto más o menos intermedio de la recta de trabajo como punto de reposo. Los puntos se representan en la figura siguiente:
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