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Circuitos con Transistores

I.- Introducción

En esta oportunidad estudiaremos un dispositivo electrónico semiconductor

muy usado; su nombre es el “Transistor”. Actualmente se encuentran

prácticamente en todos los aparatos domésticos de uso diario: radios,

televisores, grabadoras, reproductores de audio y video, hornos de

microondas, lavadoras, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas,

relojes de cuarzo, ordenadores, calculadoras, impresoras, lámparas

fluorescentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos, reproductores

mp3, teléfonos celulares, etc.

Tuvieron su origen en la necesidad de amplificar las señales de radio y

televisión que al llegar a una antena no tienen la potencia necesaria para

excitar un parlante o un tubo de televisión. Antes de éste invento, dichas

señales eran amplificadas haciendo uso de las válvulas termoiónica de tres

electrodos. Pero éstas tenían varios inconvenientes, como por ejemplo la

gran potencia que consumían, su corta duración, su gran tamaño y la gran

cantidad de calor que disipaban.

En 1947, los científicos Bardeen, Brattain y Shockley desarrollan en los

laboratorios Bell el primer transistor de estado sólido en y cuatro años más

tarde con la ayuda de Sparks se construyó el primer transistor de unión

bipolar de microvatio. Todo esto ayudó que los transistores sean lo

suficientemente prácticos para la ingeniería de uso común.

En el presente laboratorio se estudiarán algunas de las muchas

aplicaciones que tienen los transistores como por ejemplo: amplificación de

voltaje y de corriente.

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II.- Sumario de Conceptos 1.- Transistor

El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple

funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. Un transistor

está conformado por tres partes. Una de ellas es la que se encarga de

emitir electrones, por lo tanto, es el emisor. Una segunda parte es la que los

recibe, el denominado colector, y por último, una tercera parte que opera

como un modulador del paso de los electrones.

Figura 1: Transistor

En este dispositivo, se forman dos uniones “pn”: la unión colector-base y la

unión emisor-base. A continuación veremos que la corriente que fluye por

una unión afecta a la corriente en la otra unión. Es esta interacción la que

hace al transistor BJT muy útil como interruptor o como amplificador.

2.- Transistor BJT

Un transistor de unión bipolar es un dispositivo de tres capas de

semiconductor extrínseco de tipo n y p alternadamente, formando así dos

uniones “np”. Cada capa de semiconductor tiene características particulares

de dopado y dimensiones específicas que le confieren un funcionamiento

peculiar. Tiene tres terminales unidos a cada una de sus capas, siendo la

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base (B) el terminal unido a la capa intermedia y emisor (E) y colector (C)

los terminales unidos a las capas de los extremos.

Figura 2: Estructura interna del BJT

La finalidad de un transistor es controlar un paso de grandes corrientes, con

una corriente pequeña. Es así que sus principales aplicaciones son la

amplificación de corriente, la amplificación de tensión y el control del paso

de corriente.

3.- Dopado en un transistor

Como se ha dicho un transistor BJT tiene tres zonas o capas con diferente

dopado pudiendo las combinaciones ser “npn” o “pnp” como se aprecia en

la figura 3, dependiendo de esa configuración su estructura cambia pero su

funcionamiento es el mismo.

La base es la capa intermedia y presenta un nivel de dopado muy bajo. El

colector es la capa superior en la ilustración 3 y presenta un dopado medio

mientras que la capa inferior es el emisor. En cuanto a la geometría la base

es significativamente más estrecha que las otras dos capas.

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Figura 3: Unión NPN y PNP

4.- Funcionamiento de un transistor BJT

Hasta ahora hemos visto que el transistor bipolar sin polarización se

comporta como una unión de dos diodos rectificadores. No sucede así con

el transistor polarizado que se comporta de una manera muy particular e

inesperada; por lo que enseguida se tratará de entender este

funcionamiento.

4.1.- Flujo de electrones en el transistor polarizado

Vamos a asumir que el transistor trabaja en modo activo directo como

se observa en la configuración que se muestra en la figura 4. Como

sabemos el flujo de electrones tiene sentido opuesto al sentido de la

corriente. Los signos menos representan los electrones libres. El

emisor, que es una zona altamente dopada, es el que se encarga de

inyectar los electrones a la base; la mayoría de estos electrones la

atraviesan y fluyen hacia el colector. Finalmente el colector es el que

recibe los electrones que dejó pasar la base para insertarlos

nuevamente en el circuito.

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Figura 4

Además vemos que cuando los electrones libres se encuentran en la

base, pueden seguir dos caminos:

Pueden recombinarse con los huecos existentes en la base, y

salir de la base hacia el terminal positivo de la fuente “Vbb”

como electrones de valencia, sin embargo como se trata de una

zona pobremente dopada, esta recombinación no será en gran

cantidad por lo tanto el flujo de electrones que ingrese por la

base será pequeño.

El otro camino que pueden seguir es pasar hacia el colector;

este es el camino que seguirá la mayoría de electrones debido a

que la zona de la base es pobremente dopada y además es

muy estrecha, por lo tanto los electrones libres solo requieren

recorrer una distancia muy corta para pasar al colector.

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Una vez que la mayoría de electrones libres ingresan a la zona del

colector, fluyen a través de esta zona y alcanzarán el terminal positivo

de la tensión de alimentación del colector “Vcc”.

4.2.- Bandas de energía

Para hablar de bandas de energía, se necesita indicar si el transistor

esta polarizado o no, ya que dependiendo de eso variarán.

Cuando el transistor no está polarizado, vemos que en las zonas “n”

hay electrones libres en la banda de conducción; mientras que en la

zona “p” hay huecos en la banda de valencia; además al polarizar el

transistor variarán los niveles de energía.

Como se puede ver, cuando el transistor se polariza, los niveles de

energía varían de tal forma que la zona “n” del colector ha bajado y la

zona “n” del emisor ha subido con respecto al caso del circuito no

polarizado.

Figura 5

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Al analizar el transistor polarizado, podemos observar que en promedio

solo el 5% de los electrones se logran recombinar en la base y pasan a

ser electrones de valencia y el 95% restante pasa hacia el colector.

Esto se explica por el hecho de que los electrones al pasar a la base

no encuentran muchos huecos para recombinarse. Más bien,

fácilmente atraviesan la base y llegan al colector que tiene unas

bandas de energía más bajas y por lo tanto los electrones tienden a ir

hacia él.

5.- Analogía Hidráulica

Figura 6

Si no se inyecta agua por B, no se abre la tapa y no hay caudal de C

hacia E.

Poco caudal por el conducto de la base puede producir un gran flujo

de colector a emisor.

Parte del caudal por B se suma al de C para ir por E.

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6.- Tipos de Transistores

Figura 7

7.- Curvas características de los transistores

La figura 8 muestra las curvas características de un transistor bipolar típico.

Estas curvas están idealizadas, de manera que sólo se muestran las

características principales.

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Figura 8: Curvas características en emisor común de un transistor npn típico

8.- Zonas de funcionamiento del transistor

La zona en la que está funcionando el transistor depende de la ubicación

del punto de funcionamiento en la curva de salida del transistor. Según esto

tendremos las cuatro zonas o regiones de funcionamiento que se aprecian

en la figura 9.

Figura 9

La primera y quizá la más importante es la región activa directa que es la

región en la que el diodo emisor-base esta polarizado en directa, mientras

que el base-colector esta polarizado en inversa. En esta región el transistor

funciona como amplificador de corriente.

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Una segunda región es la de ruptura, en la que la pendiente de la curva de

salida se torna mayor. Esta es una zona indeseable de funcionamiento ya

que implica la destrucción del transistor por efecto Joule. En algunos casos

se usa disipadores de calor para alejar esta región de la región activa y

evitar problemas térmicos.

La tercera y cuarta región son las regiones de saturación y corte. Estas dos

zonas suelen trabajar alternadamente en un circuito, ya que en estas zonas

el transistor funciona como un interruptor controlado eléctricamente. En la

región de saturación el diodo emisor-base está polarizado directamente,

pero el diodo base-colector no está polarizado inversamente, por lo que no

se cumplirán las relaciones de corrientes. Además en esta zona el transistor

actúa como cortocircuito (interruptor cerrado) entre emisor y base ya que la

tensión es despreciable.

La región de corte es la zona en la que el diodo emisor-base no está

polarizado directamente y por lo tanto el transistor actúa como un circuito

abierto (interruptor abierto).

9.- Corrientes de un transistor

a) Corriente de Base.- es una corriente muy pequeña del orden de los

micro amperios.

b) Corriente de Emisor.- es una corriente notablemente más grande que la

corriente de base.

c) Corriente de Colector.- es una corriente muy parecida a la corriente de

emisor.

Estas corrientes se relacionan mediante la ley de nodos de Kirchhoff, ya

que la suma de la corriente de base con la corriente de colector (corrientes

que llegan a un nodo) nos da la corriente de emisor (corriente que sale de

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un nodo). En forma analítica esto se puede representar de la siguiente

manera:

IC + IB = IE

Donde:

IC: corriente de colector.

IB: corriente de base.

IE: corriente de emisor

Figura 10

Debido a que la corriente de base es muy pequeña, podemos despreciarla,

entonces la fórmula anterior quedaría como:

IC ≈ IE

10.- Variaciones en la ganancia de corrientes de un transistor

La ganancia de corriente de un transistor se ve influencia por distintos

factores como son la tolerancia de fabricación, la temperatura y el punto

de funcionamiento del transistor. Un mismo transistor puede variar su

ganancia debido a estos factores hasta en una relación de 3 a 1.

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Para un correcto diseño es necesario tener en cuenta estas variaciones

que se pueden producir. Ya que en algunos casos pueden originar un

cambio significativo en el funcionamiento de los circuitos.

Por ejemplo, si se fabrican en cantidad transistores 2N3904 los cuales

presentan, dependiendo de la temperatura, en el mejor de los casos

ganancias iguales a 300 y en el peor de los casos 100; veremos que las

ganancias de cada transistor se encontrarán entre esos rangos y no en un

solo valor específico.

Figura 11

En la figura 11 se esquematiza la variación de la ganancia con la

temperatura y la corriente de colector. Se puede observar que la ganancia

alcanza su máximo valor para una corriente de colector dada y disminuye

conforme la corriente de colector se aleja de ella.

Estas variaciones de ganancia han significado un reto para los

diseñadores de circuitos eléctricos y los ha orientado al diseño de circuitos

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en los que el punto de funcionamiento se vea muy poco influenciado por la

ganancia de corriente.

III.- Trabajo Práctico

Instrumentos y materiales a utilizar

Un osciloscopio

Un protoboard por grupo

Un generador de señales.

Un multitéster por grupo

Una fuente regulable de tensión continua por grupo.

Resistencias de 10 Ω (1), 680 Ω (1), 1k (2), 2.2k (2), 3.3k (2), 3.9k

(2), 10k (3) por grupo.

Cinco condensadores cerámicos de 100 uF por grupo.

Dos transistores NPN por grupo.

Dos diodos por grupo

Circuito Nº 01: Amplificador Multietapa

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Circuito Nº 02: Amplificador B/AB

IV.- Cuestionario

1.- ¿Qué tipo de polarizaciones existen para un transistor? Explique

detalladamente cada una de ellas.

2.- Investigar acerca de la Polarización de amplificadores de clase B/AB. ¿Qué

aplicaciones tiene?

3.- Explique brevemente la disipación de potencia en el transistor.

4.- Realice un análisis completo del circuito nº 01. Calcule el voltaje de salida

del circuito. ¿Qué conclusión puede obtener del estudio de este circuito?

5.- Construya una tabla comparativa donde se muestren los distintos tipos de

polarizaciones de un transistor, sus características y los usos que se les da.

Por ejemplo su tabla puede tener la siguiente forma:

Tipo de Polarización Características Se utiliza en:

V.- Bibliografía

[1] “Principios de Electrónica”. Séptima Edición. Autores: Albert Malvino, David J. Bates.

[2] Apuntes del curso elaborados por el Dr. Ing. César Chinguel Arrese.