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Funcionamiento del transistor bipolar o BJT.

Revisión de las zonas de trabajo y la recta de carga.


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Introducción

A mediados del siglo pasado, los semiconductores fueron abriéndose camino en la rama tecnológica de la electrónica, al descubrir las posibilidades que ofrecía un material cristalino, una materia abundante en nuestro planeta. Partieron de una unión de dos piezas de Germanio, una con iones positivos y otra con iones negativos, y crearon el diodo de cristal de Germanio, luego vieron que el silicio ofrecía mejores condiciones y pronto se normalizó su uso.

Creo que debería empezar un poco antes y decir que, los semiconductores son materiales de la naturaleza cuya conductividad varía con la temperatura, pudiendo comportarse como conductores o como aislantes. Realmente se requieren variaciones de la conductividad pero controlables eléctricamente a voluntad, por el hombre.

De acuerdo con la moderna teoría de la materia, los átomos, están constituidos por un núcleo cargado positivamente, alrededor del cual giran en distintas orbitas, cargas eléctricas negativas llamadas electrones, aunque indivisibles e idénticas para toda la materia.

Ciertos materiales, principalmente los metales, tienen un gran número de electrones libres, en la orbita exterior que, están moviéndose en todos los sentidos a través del material, dicho movimiento se neutraliza así mismo, si no hay una causa externa, como es el aporte de electrones, que los dirija en un sentido. Estos materiales tienen la facilidad de transmitir cargas de electrones (cargas eléctricas) de un objeto a otro, estos son los antes mencionados conductores.

los electrónes

En la naturaleza existen otros semiconductores. El Germanio (Ge), fue el primer material semiconductor utilizado, actualmente el material semiconductor más utilizado es el Silicio (Si). El silicio está presente de manera natural en la arena por lo que se encuentra con abundancia en la naturaleza.

cristal-silicio

Los cristales de Silicio están formados a nivel atómico por una malla cristalina basada en enlaces covalentes que se producen gracias a los 4 electrones de valencia del átomo de Silicio, cabe mencionar que además de los electrones existe otro concepto que es el hueco. Hueco, como su nombre indica, es el lugar que deja un electrón cuando abandona su capa de valencia y se convierte en un electrón libre, esto es lo que se conoce como pares electrón - hueco.

La generación de pares electrón - hueco se debe, de modo natural a la temperatura ambiente (20-25 grados ºC, algunas de las fuertes uniones entre los átomos se rompen debido al calentamiento del semiconductor y como consecuencia de ello, algunos de los electrones pasan a ser libres) o mediante la intervención de la mano del hombre. En un semiconductor puro (intrínseco) se cumple que, a temperatura constante, el número de huecos es igual al de electrones libres.

Semiconductor de tipo PSemiconductor de tipo N

Semiconductores extrínsecos

Se llaman semiconductores extrínsecos a aquellos semiconductores puros a los que se les han introducido impurezas en pequeñísimas cantidades, con el propósito de aumentar su conductividad. Dichas impurezas suelen ser elementos pertenecientes a los grupos tercero o quinto de la tabla periódica.

Se introducen impurezas en el semiconductor (átomos de otros elementos), en estado de fusión y se mezclan con el silicio, para que sean sustituidos por átomos de impureza durante el proceso de cristalización. Este efecto se denomina “dopado” y según el grupo tercero o quinto el semiconductor se denomina de tipo P o N.

region_de_reduccion

El tipo P está con impurezas "Aceptoras", que son impurezas trivalentes. Como el número de huecos supera el número de electrones libres, los huecos son los portadores mayoritarios y los electrones libres son los minoritarios.

El tipo N es el que está con impurezas "Donadoras", que son impurezas pentavalentes. Como los electrones superan a los huecos en un semiconductor tipo N, reciben el nombre de "Portadores mayoritarios", mientras que a los huecos se les denomina "Portadores minoritarios".

Unión Diodo

Al unir por fusión dos elementos tipo N y tipo P, en dicha unión se crea una barrera de potencial o zona de empobrecimiento en la que los átomos con exceso de electrones por un lado (semiconductor N) y los que tienen exceso de huecos por otro lado (semiconductor P) se ceden electrones hasta alcanzar un estado de equilibrio con 8 electrones en su última órbita. Al mismo tiempo, se crean dos zonas de iones en esa misma unión. Por un lado se crean iones positivos (ánodo), en la zona del semiconductor tipo N, y del otro lado se crean iones negativos (cátodo), en la zona del semiconductor tipo P.

Unión PN

Por lo tanto, se crea una zona de potencial de 0,3 V en semiconductores de germanio y de 0,7 V en el caso de semiconductores de silicio (este tipo de semiconductor más usado habitualmente). Esta unión PN actúa básicamente como una barrera para los electrones que circulan en sentido inverso.

Polarización Directa.

Los electrones libres de las zonas N y P se recombinan quedando todos ellos con 8 electrones en su órbita exterior, creándose una barrera de potencial que en principio no permite el establecimiento de una corriente eléctrica entre sus terminales, puesto que la zona de empobrecimiento de alguna forma, no es conductora.

No obstante, si aplicamos una tensión positiva en el ánodo, generará un campo eléctrico que "inyectará" los huecos hacia la unión, provocando un estrechamiento de la zona de empobrecimiento (algunos autores lo llaman zona de agotamiento). Mientras exista ésta barrera (zona de empobrecimiento), no será posible la conducción, de modo que cuando la tensión aplicada supera la de barrera, el dispositivo conduce.

Cuando se polariza el diodo correctamente, el polo negativo de la batería en la zona N y positivo en la zona P, éste conducirá manteniendo la caída de tensión que hemos hablado de 0,3 V o 0,7

Polarizacion directa

Que ocurre, que la batería cede electrones a la zona N, que está saturada, he irán a llenar los huecos de los iones positivos de la zona N de su unión y a su vez de los átomos de la zona P, tras lo cual volverán a la batería, cerrando el circuito.

Polarización Inversa.

En caso, de conectar la batería a la inversa, es decir, el polo positivo de la batería en la zona N y el polo negativo en la zona P, la polarización de la unión es la inversa y los electrones que cede la batería trataran de atravesar la zona de unión PN pasando a través de la zona P, lo que ocurre es que los iones negativos de la zona P en la unión, tienen su última órbita completa y repelen a estos electrones, impidiendo el paso. Por ese motivo, los diodos sólo conducen en un sentido.

Polarizacion inversa

El siguiente es el símbolo del diodo y debajo una foto de un diodo de silicio.

Símbolo Diodo
Simbolo
Foto Diodo cristal

Este es a grandes rasgos el diodo semiconductor, su funcionamiento debe tratarse con cierta profundidad, aunque aquí no es el sitio.

El transistor.

Un dispositivo que no se calienta y por lo tanto se le supone una vida mas larga que las lámparas incandescentes que se venían utilizando de no muchos años atrás, además de un considerable ahorro económico. Se pensó en igualar las funciones de las lámparas que podían amplificar una corriente o una señal. De esta idea pronto se logró (1951) un dispositivo que era capaz de amplificar una corriente y sus creadores le llamaron TRANSISTOR que es la contracción en inglés de (transfer resistor) resistencia de transferencia. La nueva tecnología inició una auténtica revolución en la electrónica que cada día sigue superando cualquier previsión inicial.

Un transistor es un dispositivo electrónico que normalmente se presenta con 3 patillas, Colector, Base y Emisor, las cuales debemos saber diferenciar. En las hojas de datos del fabricante se puede ver como determinarlas. Según su construcción, hay dos tipos de transistor denominados de polaridad NPN y PNP. La corriente que circula de colector a emisor se controla mediante una débil corriente de control en la base.

Patillas transistorTransistor NPN

Vamos a ver como funciona.

Comparado en un sistema hidráulico, en principio, el comportamiento de un transistor, es similar a un grifo. De manera que, hay una parte donde la toma general tiene agua a presión (Tensión, similar al Colector), una parte es el mando (similar a la Base) para abrir/cerrar y una parte como es la boca o salida del grifo (similar al Emisor).

Grifo

En estas condiciones:

Para que funcione un transistor, debemos conectar sus tres terminales o patillas. El caso es que hay tres formas características de conectar o en un lenguaje más técnico "polarizar" un transistor.

POLARIZACIÓN DE UN TRANSISTOR NPN

El correcto funcionamiento del transistor, se logra mediante las adecuadas tensiones de polarización. La polarización de un transistor en ausencia de señal de entrada, ver figura, consiste en aplicar las tensiones calculadas a las uniones respectivas VBE (Emisor-Base) y VBC (Colector-Base) que permitan situar al transistor en la región de funcionamiento.

Punto de trabajo
Punto de trabajo

En general, podemos decir que la unión Emisor-Base se polariza directamente y la unión Colector-Base inversamente. Un transistor se puede conectar en 3 modos que se conocen por, Emisor-común, Base-común y Colector-común. Cada uno de estos modos ofrece unas características concretas que no abordaremos aquí. En la figura que sigue, se muestran los circuitos de polarización más típicos, basados en resistencias y fuentes de alimentación.

Polarizaciones
Polarizaciones del transistor.

Curvas características con emisor común.

Se pueden representar en una gráfica, las corrientes de Base IB sobre unos ejes de coordenadas, el eje de abscisas X representa las tensiones Colector-Emisor y el eje de ordenadas Y la corriente de colector Ic. En dicha gráfica se representan varias zonas claramente diferenciadas:

  1. Zona de corte (área roja en la imagen), donde no se alcanza una tensión Base-Emisor suficiente y el transistor se comporta como un circuito abierto
  2. Zona de saturación (área verde en la imagen), en la que la tensión Colector-Emisor es cero y la corriente de Colector es máxima, aquí el transistor se comporta como un cortocircuito.
  3. Zona lineal o de carga que se utiliza controlando la intensidad de Base cuando, necesitamos amplificadores y demás circuitos lineales.

Las funciones que puede hacer un transistor son infinitas, puede amplificar corriente, amplificar una señal, invertir una señal, oscilar para generar una frecuencia, para crear puertas lógicas y otras muchas funciones.

Las características del transistor en la configuración de emisor común que, es la más utilizada en la práctica. Estas curvas características representan en coordenadas cartesianas, las variables (tensiones o corrientes) de un transistor bipolar. La siguiente figura, es una muestra de las curvas de salida en emisor común, del transistor NPN BC547, representan las variables IC, VCE e IB.

Caracteriticas estaticas
La magnitud de IB se indica en microamperios, IC en los miliamperios.

La corriente de colector (IC), se muestra en el eje Y, la tensión colector-emisor (VCE) en el eje X, y se dibuja una curva para cada uno de los valores que se consideren necesarios de la corriente de base (IB), por ejemplo en la figura se toma el intervalo de 50 a 400 µA.

Por medio de estas curvas, las tensiones y corrientes del mismo (es decir, una vez polarizado), es posible determinar el punto de trabajo del transistor, evitando hacerlo trabajar en la zona prohibida, ya que el transistor no será capaz de disipar el calor que genera y se destruirá.

Recta de carga
Representación de la recta de carga estática en un circuito de polarización fija, sobre las características de salida en emisor común.

Según la aplicación y del punto de polarización dependerá el circuito a elegir, amplificación, conmutación, oscilación, etc.

El transistor bipolar en amplificación.

Conectado un transistor en modo Emisor común actúa como amplificador, dejando pasar más o menos corriente. Tendremos un comportamiento similar al descrito en el caso hidráulico. En el transistor, si no aplicamos corriente a su Base, la corriente de Colector-Emisor, será 0 y la tensión será igual a la tensión de Vcc (batería). De modo que, aplicando una pequeña corriente en la Base del transistor, obtendremos una pequeña corriente de paso desde Colector a Emisor.

Amplificación

En el esquema vemos un transistor genérico NPN al que se ha conectado una batería de 10 Voltios, entre Colector y Emisor a través de una resistencia R1 de 1KΩ, además, mediante R2 resistencia de 400KΩ se une el positivo de la batería al terminal Base. También hemos intercalado 4 amperímetros como se aprecia, uno entre la Base y R2, otro amperímetro entre R1 y Colector, un tercero entre Emisor y masa y el cuarto en serie con la batería.

Ahora, activamos simular, pero en el esquema debemos insertar la GND para hacer la simulación, observemos que ocurre.

Corrientes

Vemos que por la base circula una corriente de 23,26 micro amperes, lo que activa al transistor que debido al factor beta que, amplifica esta corriente (de Base), ahora por el Colector circulan los 23,26 micro amperes multiplicado por el factor ß (beta). Por lo tanto, si β aumenta, aumenta la corriente IC, y en consecuencia la IE.

Observamos que la corriente que pasa por el Colector Ic es igual a la intensidad de Base Ib por el factor ß (beta) que se representa por hFE. El factor beta, viene determinado por el fabricante y en transistores genéricos puede estar alrededor de 300. Pero, ¿cuanto vale la beta de este transistor?, suponiendo que es un BC547A. Vamos a calcular este factor en nuestro esquema.

Calculo de beta

Como se puede ver en la simulación:

EL TRANSISTOR BIPOLAR EN CONMUTACIÓN.

Las zonas de Saturación y Corte son la base de la conmutación y se utilizan mucho en la electrónica digital. Veamos como llevar el transistor a los estados de Saturación y Corte.

Cuando la corriente de Base es muy elevada, la corriente de Colector no depende del factor beta del transistor, el transistor esta trabajando en una zona de la curva que se le llama Saturación, en ese caso la corriente de colector estará limitada por la resistencia R1. Si modificamos R2 resistencia de Base en la figura anterior, por ejemplo a 10KΩ, la corriente en Base es de 926,63 micro amperes, si aplicamos la formula F1, obtendremos una corriente de colector aproximada de 28 Amperes, esto a todas luces es imposible puesto que actuaría R1, incluso cambiando R1 a 200 y sin contemplar el transistor, la corriente máxima quedaría limitada a 550 mA. Esto es lo que se llama SATURACIÓN del transistor, en saturación la tensión Vce= 0 Voltios.

curva caracteristica

El transistor se considera saturado cuando la corriente de Colector Ic es aproximadamente igual a Vcc/Rc independientemente del valor que tenga ß (beta). Por lo tanto en saturación Ic ≠ ß x Ib.

En cambio, cuando la corriente de base es nula o casi nula, el transistor no conducirá, es como si estuviera abierto, se dice que el transistor está en CORTE. Un transistor esta en corte, cuando Ic = 0, Ib = 0 e Ie = 0. Digamos que, si el valor de R2 lo sustituimos por una resistencia de 10MΩ por ejemplo, la corriente de Base = 930nA, la corriente de Colector = 237uA y la corriente de Emisor = 238uA, son unos valores mínimos que son despreciables lo que lleva al transistor al corte o circuito abierto.

La polarización de base es muy útil en los circuitos digitales, la razón es que, por lo general, estos circuitos se diseñan para funcionar en las regiones de saturación y corte. Por este motivo, se obtendrá a la salida una tensión próxima a la tensión de alimentación (valor alto de tensión) 1 lógico y también próxima a cero (valor bajo de tensión) 0 lógico. Si representamos los puntos correspondientes al corte y a la saturación sobre las características de salida y los unimos obtenemos la recta de carga.

Dicho de otra manera, no se emplea ningún punto de la recta de carga que no esté situado en la región de saturación o corte, por lo que la estabilidad de dicho punto pasa a un segundo plano. En la figura se muestra un esquema de polarización de base al cual se le aplica una tensión Vi que puede tomar valores muy altos, próximos a VCC, o bien próximos a cero.

conmutadorq1yq2

De manera que, si en dicho circuito hacemos que Vi = 0, la tensión entre emisor-base no será suficiente para que haya una corriente de base apreciable, considerándose que IB = 0, IC = 0 y por lo tanto, la caída de tensión en la resistencia de colector será nula, y toda la tensión de alimentación, Vcc = Vo.

Esta situación se corresponde con el punto de trabajo Q1 mostrado en la figura anterior. Por el contrario, si Vi = VCC, la corriente de base será muy elevada y debe calcularse en función de las características de la carga que queremos controlar, al igual que IC, llevando el transistor a la zona de saturación, posición representada por Q2.

Cuando queremos utilizar un transistor, nos asaltan las dudas, ¿qué transistor elegimos entre los miles que hay?, ¿Qué resistencia hay que colocar entre la base y la resistencia de salida del transistor?, estas son las más importantes, aunque podemos listar muchas más. Las respuestas requieren mas datos, naturalmente, para que lo vamos a usar, amplificador, interruptor, oscilador...

A la hora de elegir un transistor hay cuatro parámetros que hay que tener en cuenta:

 LA INTENSIDAD DE CARGA, naturalmente dicho valor ha de ser inferior a la IC intensidad de colector.
 TENSIÓN DE CARGA, esta tensión de funcionamiento de carga, ha de ser menor que la tensión 
 colector-emisor VCE.
 TIPO DE CARGA, se debe tener en cuenta si la carga es resistiva o inductiva, en este caso será necesario 
 disponer un diodo en paralelo a la carga, para evitar las sobretensiones inversas de la bobina. 
 INTENSIDAD MÁXIMA A ENTREGAR A LA BASE, este dato es necesario para seleccionar la ganancia β y 
 calcular la resistencia de base, la mayoría de transistores tienen una  β suficiente, en las hojas 
 del fabricante suele servirnos para conocer este dato. 
  

Vayamos a un ejemplo que nos sirvan para aclarar las ideas. Queremos controlar el encendido de una lámpara con un transistor, el problema principal es que la lámpara es de 220V y claro el transistor no soporta estas condiciones. La idea es usar un relé que controlamos con el transistor y ya tenemos una solución posible.

transistor-rele

Disponemos de una salida de un Arduino capaz de suministrar 25 mA máx. a 5V. El bobinado del relé necesita 80 mA a 6 Voltios. Viendo estos datos acudimos a las hojas de datos y entre los transistores NPN más comunes, tenemos:

 TIPO       Ic máx.        Vceo             β
 BC459C     100 mA          30V         260/900
 BC337      800 mA          45V         100/630 
 BD139      1'5 A           80V          40/250
 BD135      1'5 A           45V          40/250
 

Estos transistores son de los más comunes y todos cubren con los parámetros exigidos. En el caso del BC459C es suficiente. Calculemos la resistencia de base:

   IB = IC/β = 0,8/260 =0,3mA

        (5-0,7)
   RB = -------- = 2328 =2400 = 2K4Ω
        0.0003
 

EL TRANSISTOR DÁRLINGTON

Este transistor es un circuito interno compuesto por dos transistores con una alta ganancia de corriente, que suele encontrarse normalizado en el mercado, no obstante, usted puede construir uno, simplemente, conectando ambos en cascada, como se puede ver en la figura que sigue:

darlington

La ecuación de ganancia en un transistor BJT típico es: IE= β x IB. La corriente de colector es igual a beta por la corriente de base.

Analizando la anterior figura:

- Ecuación del primer transistor es: IE1 = β1 x IB1 (1) 
 - Ecuación del segundo transistor es: IE2 = β2 x IB2 (2)

Por lo tanto, la corriente de emisor del transistor Q1 es la misma que la corriente de base del transistor Q2. Entonces IE1 = IB2 (3)

De modo que, utilizando la ecuación (2) y la ecuación (3) se obtiene: IE2 = β2 x IB2 = β2 x IE1

Y reemplazando en la ecuación anterior el valor de IE1 (ver ecuación (1) ) se obtiene la ecuación final de ganancia del transistor Darlington.

      IE2 = β2 x β1 x IB1

Se puede deducir que, si cada transistor tiene una β de 100, al conectarlos en darlington y aplicando la ecuación anterior, se obtiene una ganancia teórica de 10000. Por ese motivo se utilizan ampliamente en circuitos en donde es necesario controlar cargas grandes con corrientes muy pequeñas.

Este tutorial lo he realizado con un lenguaje sencillo para dar respuesta a una consulta que me hizo en su día mi hijo, cuando aún no sabía como funcionaba un transistor. Así que, aquí está para él y para quienes tengan esa misma pregunta. Espero haber logrado poner un poco de luz a todos ellos.

Referencias.
     http://www.ecured.cu/index.php/Uni%C3%B3n_P-N
     http://html.rincondelvago.com/materiales-conductores-y-aislantes.html
     http://www.gayatlacomulco.com/tutorials/quimica/t45.html
     http://www.asifunciona.com/fisica/ke_semiconductor/ke_semiconductor_1.htm
     http://www.electronicafacil.net/tutoriales/Principios-Basicos-Materiales-Semiconductores.php 
     http://www.gayatlacomulco.com/tutorials/quimica/t45.html#261,12,PROPIEDADES TéRMICAS
 

Esto es todo por lo que se refiere al funcionamiento del transistor NPN, las formulas y el funcionamiento del transistor PNP a grandes rasgos, es prácticamente igual solo que cambian los signos.

flecha

Esto es todo, por este simple tutorial. Si tiene interés en leer más sobre Arduino, revele esta sección. (Mostrar/Ocultar)


Creada el: 06-06-2014
Actualizada el: 29/06/2014
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