EL TRANSISTOR
Dispositivo semiconductor que permite el control y la regulación de una corriente grande mediante una señal muy pequeña. Existe una gran variedad de transistores. En principio, se explicarán los bipolares. Los símbolos que corresponden a este tipo de transistor son los siguientes:
Transistor NPN
Estructura de un transistor NPN
Transistor PNP
Estructura de un transistor PNP
Veremos mas adelante como un circuito con un transistor NPN se puede adaptar a PNP. El nombre de estos hace referencia a su
1. FUNCIONAMIENTO BASICO
Cuando el interruptor SW1 está abierto no circula intensidad por la Base del transistor por lo que la lámpara no se encenderá, ya que, toda la tensión se encuentra entre Colector y Emisor. (Figura 1).
Figura 1 Figura 2
Cuando se cierra el interruptor SW1, una intensidad muy pequeña circulará por la Base. Así el transistor disminuirá su resistencia entre Colector y Emisor por lo que pasará una intensidad muy grande, haciendo que se encienda la lámpara. (Figura 2).
En general: IE > IC > IB ; IE = IB + IC ; VCE = VCB + VBE
2. POLARIZACION DE UN TRANSISTOR
Una polarización correcta permite el funcionamiento de este componente. No es lo mismo polarizar un transistor NPN que PNP.
Polarización de un transistor NPN
Polarización de un transistor PNP
Generalmente podemos decir que la unión base - emisor se polariza directamente y la unión base - colector inversamente.
3. ZONAS DE TRABAJO
CORTE.- No circula intensidad por la Base, por lo que, la intensidad de Colector y Emisor también es nula. La tensión entre Colector y Emisor es la de la batería. El transistor, entre Colector y Emisor se comporta como un interruptor abierto.
IB = IC = IE = 0; VCE = Vbat
SATURACION.- Cuando por la Base circula una intensidad, se aprecia un incremento de la corriente de colector considerable. En este caso el transistor entre Colector y Emisor se comporta como un interruptor cerrado. De esta forma, se puede decir que la tensión de la batería se encuentra en la carga conectada en el Colector.
IB Þ IC ; Vbat = RC X IC.
ACTIVA.- Actúa como amplificador. Puede dejar pasar más o menos corriente.
Cuando trabaja en la zona de corte y la de saturación se dice que trabaja en conmutación. En definitiva, como si fuera un interruptor.
La ganancia de corriente es un parámetro también importante para los transistores ya que relaciona la variación que sufre la corriente de colector para una variación de la corriente de base. Los fabricantes suelen especificarlo en sus hojas de características, también aparece con la denominación hFE. Se expresa de la siguiente manera:
β = IC / IB
En resumen:
Saturación
Corte
Activa
VCE
≈ 0
≈ VCC
≈ VCC
≈ 0
Máxima = ICEO ≈ 0
Variable IB
Variable = 0
Variable VBE
≈ 0,8v
< 0,7v
≈ 0,7v
Los encapsulados en los transistores dependen de la función que realicen y la potencia que disipen, así nos encontramos con que los transistores de pequeña señal tienen un encapsulado de plástico, normalmente son los más pequeños ( TO- 18, TO-39, TO-92, TO-226 … ); los de mediana potencia, son algo mayores y tienen en la parte trasera una chapa metálica que sirve para evacuar el calor disipado convenientemente refrigerado mediante radiador (TO-220, TO-218, TO-247…) ; los de gran potencia, son los que poseen una mayor dimensión siendo el encapsulado enteramente metálico . Esto, favorece, en gran medida, la evacuación del calor a través del mismo y un radiador (TO-3, TO-66, TO-123, TO-213…). Para conocer los encapsulados de los transistores más utilizados en la actualidad, pulsa aquí
Si tienes curiosidad por conocer el aspecto de los primeros transistores, pulsa aquí:
Si quieres desde aquí puedes entrar en la página de los transistores unipolares o de Efecto de Campo (FET)
Consulta la nomenclatura de los transistores
Los puentes-H (llamados “H BRIDGES” en inglés) son circuitos que permiten controlar motores eléctricos de corriente directa en dos direcciones desde un circuito digital (TTL, CMOS, el puerto de una computadora, desde un microcontrolador, etc…). Se les llama “Puentes H” porque precisamente su forma recuerda (muy vagamente) a una letra “H”.
Vamos a empezar por el primer problema que se tiene cuando se quiere controlar desde un circuito digital un dispositivo electromecánico (ya sea un motor, un relevador, un alambre muscular o un stepper): ¿Cómo conectarlo? Pues el más importante consejo es: NUNCA lo conectes directamente a la salida digital de tu circuito. Por dos razones que mencionaremos a continuación:
Razón 1: Un circuito digital tradicional generalmente no tiene la capacidad de corriente necesaria para hacer que un motor eléctrico de vueltas (y mucho menos capacidad tiene el puerto paralelo de una computadora,¿eh?). Si conectas directamente un motorcito, un foco incandescente o algun otro elemento que consuma mucha corriente, lo más probable es que tu circuito se sobrecaliente y se queme en unos segundos. La manera más sencilla de manejar un elemento electromecánico pequeño con un circuito digital es utilizando un TRANSISTOR como interruptor. Así tu circuito digital solo prende y apaga el transistor (eso sí se puede) y el transistor es el que prende y apaga el motor.
Razón 2: Casi todos los dispositivos electromecánicos (aunque sean pequeños) son muy inductivos. ¿Qué significa eso? En español simple significa que no permiten ser apagados de golpe. Es decir, cuando tú desconectas un motor eléctrico que está funcionando, el motor (debido a que es un dispositivo inductivo) trata todavía de mantener por una fracción de segundo la corriente circulando a través de él (es más o menos como si se resistiera a morir). Y durante este pequeñísimo tiempo puede generarse una chispa en la parte del circuito que realizó la desconexión. Esta chispa puede muy fácilmente dañar circuitos electrónicos. Según el tamaño del motor y según la corriente que esté utilizando, esta chispa puede o no ser visible, pero siempre existe a menos que se coloque en paralelo con el motor un diodo de protección. Este diodo tiene como finalidad servir de “desahogo” para esta corriente residual que aparece después de que se apaga el motor. Así que, muy en resumen, este es el circuito que necesitamos para prender y apagar un motor eléctrico pequeño de corriente directa desde un circuito digital:
Este es sólamente un circuito muy básico que te puede dar una idea de cómo diseñar el tuyo. Para saber qué tipo exacto de transistor utilizar, qué tipo de diodo y qué tipo de resistencia, tienes que saber primero cuánta corriente necesita tu motor para funcionar (puedes medirla con un amperímetro) y en base a eso buscas el diodo y el transistor más adecuados. Incluso puedes utilizar más de un transistor (conectándolos en configuración Darlington). Eso se hace en caso de que la corriente que necesite tu motor sea mayor que la que te puedan dar los transistores que tengas disponibles. Por ejemplo, si deseas prender y apagar el motor de un walkman puedes utilizar un circuito como este (se utilizaron dos transistores en configuración Darlington):
NOTA: No les garantizo que este circuito sirva para todos los motores de todos los walkmans de todas las marcas, pero es un buen punto de inicio. Si su motor se mueve demasiado rápido, entonces usen una resistencia de un valor un poco mayor (400 o 500 ohms por ejemplo).
Pues esa es básicamente la forma en que un circuito digital puede prender y apagar un motor. Ahora bien: ¿Cómo hacer para que el motor se mueva hacia adelante y hacia atrás? (Es decir, en DOS direcciones). Pues es aquí donde entran los PUENTES H.
Diagrama esquemático de un puente H Un puente H es básicamente un arreglo de CUATRO interruptores acomodados de la siguiente manera:
Estos interruptores (A,B,C y D) pueden ser de transistores bipolares (como el de arriba), de mosfets, de jfets, de relevadores o de cualquier combinación de elementos. El punto central es: los puentes H se utilizan para que un motor eléctrico de corriente directa funcione EN DOS SENTIDOS (adelante y atrás) sin tener que manejar voltajes negativos.
Si se cierran solamente los contactos A y D la corriente circulará en un sentido a través del motor (o del relevador o de cualquier sistema que esté conectado ahí enmedio), y si se cierran solamente los contactos B y C la corriente circulará en sentido contrario. De preferencia nunca cierres los contactos A y B al mismo tiempo (tampoco C y D) porque podrías fundir un fusible en alguna parte. Observa también que un puente H necesita de cuatro diodos de protección para el motor. Transistor En el año 1942, los físicos norteamericanos Bardeen, Brattain y Shockley investigando con semiconductores, descubrieron el transistor. Debido a la gran importancia de dicho descubrimiento, se les concedió en 1956 el Premio Nóbel de Física.
Exteriormente está formado por un caparazón o cápsula que puede tener diferentes formas, del que salen tres patillas metálicas, o mas técnicamente dicho, tres electrodos o terminales y en algunos casos solamente dos ya que el tercer terminal lo forman el recubrimiento metálico de la cápsula.
Internamente, el transistor es un componente semiconductor formado por un cristal que contiene una región P entre dos regiones N (transistor NPN), o una región N entre dos regiones P (transistor PNP).
La diferencia que hay entre un transistor PNP y otro NPN radica en la polaridad de sus electrodos.
Polaridad de los electrodos Símbolo del transistor NPN Símbolo del transistor PNP
Cada una de estas regiones semiconductoras tiene una conexión. La región central se llama base (B) y las otras emisor (E) y colector ©.
APLICACIONES La primera consecuencia del descubrimiento del transistor, fue que los aparatos electrónicos pudieron hacerse mucho mas pequeños, al ocupar el transistor un volumen mucho menor que las válvulas electrónicas anteriormente empleadas.
En la figura se muestra el dibujo de una válvula en su tamaño real y el correspondiente tamaño de un transistor. Se redujo también mucho el consumo de corriente, porque las válvulas necesitaban calentamiento y el transistor no. El transistor puede emplearse como interruptor y como amplificador. EL TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR El transistor funciona como interruptor CERRADO cuando le aplicamos una corriente a la base y como interruptor ABIERTO cuando no le aplicamos corriente a ésta. EL TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR Los físicos que descubrieron el transistor se dieron cuenta que mediante la variación de una corriente débil aplica a la base podían gobernar otra mucho mas intensa entre colector y emisor. Esto significa que pequeñas corrientes eléctricas pueden ser amplificadas, o lo que es lo mismo, que señales débiles pueden transformarse en otras suficientemente fuertes. La intensidad que atraviesa el emisor es igual a la intensidad que pasa por el colector más la intensidad que pasa por la base. IE=IC+ IB
FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR Quizás el modo de trabajar de un transistor puedes fácilmente comprenderlo con un ejemplo más fácil que podríamos llamar: el transistor hidráulico Por la tubería O llega presión de agua y puede seguir dos caminos: 1. Por C que no puede pasar ya que se lo impide el tapón.
2. Por B que al estar cerrada la llave L tampoco puede pasar.
Por lo tanto por la tubería E no sale agua y podemos decir que el transistor está bloqueado. Si abrimos un poco la llave L comienza a salir agua por el tubo B y ésta empuja la palanca que unida al tapón permite el paso de agua por la tubería C. Por la tubería E ahora sale el agua que pasa por C más el agua que pasa por B. Esta figura muestra como si abrimos más la llave de paso L por la tubería B sale más agua y por lo tanto empuja mas fuerte a la palanca y abre completamente el paso por la tubería C.
Como se puede comprobar nos encontramos con tres situaciones: 1. Está totalmente cerrada: no circula agua. 2. Cuando esta algo abierta, pero no lo suficiente para que el tapón este abierto del todo: Se puede regular el caudal por C abriendo mas o menos la llave L. 3. Cuando se abre L lo suficiente para que este el tapón totalmente abierto y por C pasa prácticamente todo el caudal, ya que lo que pasa por B es despreciable frente a lo que pasa por C. Esto mismo es lo que tenemos en los transistores eléctricos, cambiando caudal de agua por corriente: 1. Por la base no se le suministra corriente: transistor no deja conducir entre colector y emisor. 2. Por la base se le suministra una pequeña corriente: Se puede controlar el paso de corriente entre el colector y el emisor. La corriente que pasa entre colector y emisor es mucho mayor que la corriente que le suministramos a la base. 3. Se le suministra suficiente corriente a la base para que circula la máximo corriente entre colector y emisor, se dice que el transistor está saturado y la corriente que se le suministra a la base es la necesaria para producir la saturación del transistor. Cuando trabaja como interruptor el transistor trabaja en corte y en saturación, mientras que cuando trabaja como amplificador trabaja con corrientes en la base menores para controlar la corriente entre colector y emisor. TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR Un transistor funciona como un interruptor para el circuito conectado al colector (Rc) si se hace pasar rápidamente de corte a saturación y viceversa. En corte es un interruptor abierto y en saturación es un interruptor cerrado. Los datos para calcular un circuito de transistor como interruptor son: el voltaje del circuito que se va a encender y la corriente que requiere con ese voltaje. El voltaje Vcc se hace igual al voltaje nominal del circuito, y la corriente corresponde a la corriente Icsat. Se calcula la corriente de saturación mínima, luego la resistencia de base mínima: IBSAT min = Icsat / b RB Max = I Bsat? min Donde Von es el voltaje en la resistencia de base para encender el circuito, el circuito debe usar una RB por lo menos 4 veces menor que R Bmax?. Adicionalmente se debe asegurar un voltaje en RB de apagado Voff que haga que el circuito entre en corte.
La principal aplicación de transistor como interruptor es en los circuitos e integrados lógicos, allí se mantienen trabajando los transistores entre corte o en saturación, en otro campo se aplican para activar y desactivar relés, en este caso como la carga es inductiva (bobina del relé) al pasar el transistor de saturación a corte se presenta la “patada inductiva” que al ser repetitiva quema el transistor se debe hacer una protección con un diodo en una aplicación llamada diodo volante. __