Electrónica Básica - Transistores (VII)

Continuando con la publicación anterior, vamos a ver una más componentes activos, los cuales, amplían el rango de posibilidades de la electrónica. Estos se basan en los semiconductores. Con ellos, podremos modificar, procesar o tratar una señal, a nuestro antojo, de acuerdo a nuestras necesidades.

Componentes

Ya dijimos, que los componentes pasivos, nos permiten ciertos tratamientos de la corriente eléctrica. A continuación, veremos cómo combinando los componentes pasivos, a los nuevos activos, como diodos, transistores o circuitos integrados, el abanico de posibilidades que se puede abarcar, es casi infinito.
El motivo de llamarse activos, es por que requieren una fuente de alimentación para entregar la señal de entrada procesada o tratada. Es decir, son capaces de excitar los circuitos, o aplicar ganancias o de controlar el mismo. Se suele decir que su comportamiento no es lineal, lo que significa que la relación entre la tensión aplicada y la corriente demandada, no es lineal.
Estos componentes activos, engloba a los semiconductores, materiales que se comportan como conductores solo en determinadas condiciones, y en otras condiciones se comportan como aislantes. Actualmente hay una inmensa variedad de componentes activos, muchos de ellos fabricados para aplicaciones muy concretas. En estas secciones, veremos los más genéricos y utilizados para aprender electrónica básica.

Transistores

El transistor, cuyo nombre proviene del inglés: transfer resistor, “resistencia de transferencia”, es un componente electrónico semiconductor, capaz de modificar una señal eléctrica de salida con respecto a una de entrada, usándose como amplificador, conmutador, oscilador o rectificador de la misma.
Su predecesor, como se menciono anteriormente, fueron las válvulas de vacío, cono el tríodo. Pero los que conocemos actualmente, provienen del descubrimiento de los elementos semiconductores, en 1940. Actualmente se construyen con materiales como germanio (Ge), silicio (Si), arseniuro de galio (GaAs) o aleaciones de silicio y germanio o silicio y aluminio. Dependiendo del material, el transistor podrá resistir una cantidad determinada de tensión eléctrica o temperatura.

La estructura de un transistor, y lo que lo diferencia de un diodo, es que lo compone, al menos tres cristales semiconductores dopados. En algunos libros, hacen la analogía de unir dos diodos, ya sea por en ánodo o el cátodo. Y existen dos posibilidades combinaciones: N-P-N y P-N-P.
De esto se deriva que tiene tres conexiones o patillas, que son denominadas Base (b), Colector (c) y Emisor (e). La Base es la que media entre el Emisor (por donde entra el caudal de corriente) y el Colector (por donde sale el caudal de corriente). Y lo hace, a su vez, activada por una corriente eléctrica menor, distinta de la que es modulada por el transistor.

A continuación la representación de las uniones NPN y PNP y el símbolo que representa a cada tipo de transistor.

Los transistores operan sobre un flujo de corriente, funcionando como amplificadores (recibiendo una señal débil y generando una fuerte) o como interruptores (recibiendo una señal y cortándole el paso). Esto ocurre dependiendo de cuál de las tres posiciones ocupe un transistor en un determinado momento, y que son:
Activa. Se permite el paso de un nivel de corriente variable.
Corte. No deja pasar la corriente eléctrica.
Saturación. Deja pasar el máximo caudal de corriente eléctrica.
Así pues, si la base recibe una corriente intermedia, la base abrirá el flujo en determinada cantidad. Si en la base no existe corriente, el transistor está en posición de corte. Y si la base recibe la suficiente corriente, entonces se abrirá del todo el dique y pasará el total de la corriente modulada. De este modo, es posible hacer una analogía con una válvula o llave de paso, para que quede aun más claro:

Para polarizar un transistor NPN, en general podemos decir que la unión base - emisor (b-e), se polariza directamente y la unión base – colector (b-c) inversamente.

i	Los transistores están formados por cristales NPN y PNP. La denominación de los terminales es Base, Colector y Emisor. Las funciones principales de este componente son para usar como amplificador, conmutador, oscilador o rectificador de la señal de entrada.

Tipos de Transistores

Existen muchos tipos de transistores, pero la clasificación más aceptada consiste en dividirlos en transistores bipolares o BJT (Bipolar Junction Transistor) y transistores de efecto de campo o FET (Field Effect Transistor). Esta última a su vez es bastante amplia, englobando los JFET, MOSFET, MISFET, etc.

Transistor bipolar

Los transistores bipolares son semiconductor con tres cristales con dopajes diferentes e intercambiados. Se puede tener por tanto transistores PNP o NPN.
El transistor de unión bipolar, o BJT por sus siglas en inglés Bipolar Junction Transistor, se fabrica básicamente sobre un monocristal de Germanio, Silicio o Arseniuro de galio.
Sobre el sustrato de cristal, se contaminan en forma muy controlada tres zonas, dos de las cuales son del mismo tipo, NPN o PNP, quedando formadas dos uniones NP. La zona N con elementos donantes de electrones (cargas negativas), como el Arsénico (As) o Fósforo (P), y la zona P de aceptadores o “huecos” (cargas positivas), como el Indio (In), Aluminio (Al) o Galio (Ga).

Transistor de Unión Unipolar

También llamado de efecto de campo de unión (JFET, o Field Effect Transistor), fue el primer transistor de efecto de campo en la práctica. Dentro de este grupo entran también los transistores tipo MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET), y MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor FET), etc.
Lo forma una barra de material semiconductor de silicio de tipo N o P. En los terminales de la barra se establece un contacto óhmico, obteniendo así un transistor de efecto de campo tipo N de la forma más básica. Si se difunden dos regiones P en una barra de material N y se conectan externamente entre sí, se producirá una puerta.
Este tipo tienen tres terminales denominadas puerta (o gate), equivalente a la base del BJT, y que regula el paso de corriente por los otros dos terminales, llamados drenador (drain) y fuente (source). Aplicando tensión positiva entre el drenador y la fuente y conectando la puerta al surtidor, estableceremos una corriente, a la que llamaremos corriente de drenado con polarización cero. Con un potencial negativo de puerta al que llamamos tensión de estrangulamiento, cesa la conducción en el canal.

En la siguiente imagen ejemplo de un transistor JFET y sus posibles representaciones simbólicas:

Fototransistor

Los fototransistores son sensibles a frecuencias cercanas a la de la luz visible; debido a esto su flujo de corriente puede ser regulado por medio de la luz. Un fototransistor es, en esencia, lo mismo que un transistor normal, sólo que puede trabajar de 2 maneras diferentes:
Como un transistor normal con la corriente de base (IB) (modo común).
Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces de corriente de base. (IP) (Modo de iluminación).

Configuraciones de transistores

La construcción interna de un transistor como todo circuito necesita de dos terminales de entrada y dos de salida. Como se ha visto, en su fabricación, estos solo disponen de tres terminales, por lo, a la hora de montar los transistores en los circuitos, es necesario adoptar una de las siguientes configuraciones: Emisor común, Base común, Colector común.

Emisor Común

La señal de entrada se aplica a la base del transistor y se extrae por el colector. El emisor se conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida.
En esta configuración se tiene ganancia tanto de tensión como de corriente y alta impedancia de entrada. Como la base está conectada al emisor por un diodo en directo, entre ellos podemos suponer una tensión constante, Vg. También supondremos que β es constante. Entonces tenemos que la tensión de emisor es: VE = VB – Vg El parámetro β (Beta) de un transistor bipolar o BJT nos indica la eficiencia del transistor, relacionando la corriente de colector con la corriente de base.

Base Común

conecta a las masas tanto de la señal de entrada como a la de salida. En esta configuración se tiene ganancia sólo de tensión. La impedancia de entrada es baja y la ganancia de corriente algo menor a 1, debido a que parte de la corriente de emisor, sale por la base.

Colector Común

La señal de entrada se aplica a la base del transistor y se extrae por el emisor. En esta configuración se tiene ganancia de corriente, pero no de tensión que es ligeramente inferior a la unidad. Esta configuración multiplica la impedancia de salida por 1/β.

Encapsulados

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 y 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 disipar el calor 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...).

En la próxima publicación, continuaremos con los Circuitos Integrados.

Y aquí tienes la publicaciones anteriores, por si os perdisteis alguna:

Electrónica Básica, Conceptos Básicos (I)  
Electrónica Básica, Circuitos Básicos (II)
Electrónica Básica, Resistencias (III)
Electrónica Básica, Condensadores (IV)
Electrónica Básica, Inductores (V)
Electrónica Básica, Diodos (VI)

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