El
transistor
Hasta
ahora se ha tratado principalmente de los materiales semiconductores y diodos
semiconductores; tales materiales y dispositivos tienen propiedades únicas que
los hacen útiles en muchas aplicaciones. Sin embargo tienen muchas limitaciones
que impiden usarlos en otras muchas aplicaciones.
Las desventajas más importantes de los
diodos semiconductores consiste en que la mayor parte de ellos no amplifican
las señales lo suficiente para que se pueda usarlos con tal fin. De ahí que los
semiconductores sólidos, así como los diodos p-n se aplican principalmente donde
se pueden aprovechar sus características de resistencia no lineal; además, los
diodos p-n se utilizan mucho como rectificadores. En cambio cuando se necesitan
amplificar las señales, se emplea un dispositivo diferente: el transistor.
El transistor Básico:
El
transistor básico se diseña agregando otro elemento al semiconductor de un
diodo simple p-n; se trata, pues de un semiconductor de tres elementos. Los
tres elementos del transistor son el emisor, la base y el colector. El emisor
suministra portadores mayoritarios para el flujo de la corriente en el
transistor, mientras que el colector recoge la corriente para la operación del
circuito. La base hace las veces de las uniones o junciones requeridas para
asegurar la interacción adecuada entre el emisor y el colector.
Interacción de los circuitos de entrada y
de salida
Básicamente,
el transistor amplifica de una manera similar a como lo hace un tubo
electrónico, ya que está formado de dos circuitos: el circuito de entrada y el
de salida; ambos están dispuestos de manera que actúen recíprocamente. La
corriente que fluye en el circuito de entrada determina en gran parte la
corriente que fluye en el de salida. Por tanto, cuando se aplica una señal al
circuito de entrada se produce en él una corriente correspondiente de entrada,
la cual a así vez determina la intensidad de corriente que fluye en el circuito
de salida.
Polarización
de transistores:
Como
ya se dijo los circuitos de entrada y salida de un transistor pueden
interactuar, por tener una base común. El tipo de polarización usado en ambos
circuitos constituye el factor que permite controlar tal interacción.
El circuito de entrada está provisto de
los segmentos emisor y base, mientras que el circuito de salida lo está por los
segmentos de base y colector. Como la corriente del circuito de entrada debe de
estar determinada por el voltaje de la señal
de entrada, la polarización que se da a la base y al emisor debe ser
directa para asegurar que la corriente emisor-base varié de acuerdo al voltaje
de la señal. Sin embargo la corriente del circuito debe estar controlada por la
interacción de este con el circuito de entrada y, por lo tanto debe ser relativamente
independiente de los voltajes del circuito.
Usualmente la corriente e del colector
debe ser mucho menor que la del emisor, pero puede aumentarse de dos maneras:
la primera consiste en usar un voltaje en el colector relativamente alto. La
segunda y más eficiente manera de hacerlo es la que se ilustra en el diagrama.
Se puede ver que la polarización de los circuitos es tal que las polaridades
ayudan a que la corriente del emisor, también pase a través del colector. Como
resultado, la corriente del colector también se mantiene casi igual a la del
emisor. Así la corriente de entrada se utiliza para regularizar la corriente de
salida.
Circuito de entrada del transistor n-p-n
Ahora conviene ver como operaria un transistor n-p-n
si se conectara solo el circuito de entrada emisor base. De acuerdo con lo
estudiado acerca de los diodos p-n, la corriente directa que se produce en la
junción de dichos semiconductores se forma por los portadores mayoritarios,
debido a la interacción electrón –hueco efectuado allí y hace que los elementos
fluyan en el circuito, entrando en el semiconductor y saliendo de él. En el
circuito de entrada de un transistor n-p-n sucede igual ya que la unión del
circuito emisor-base recibe la polarización directa.
La base es más delgada y esta mucho menos inyectada que el emisor,
razón por la que tiene menos portadores mayoritarios que el emisor. Como
resultado, los portadores mayoritarios que van del emisor a la base o sea los
electrones libres son más que los portadores mayoritarios de las bases o sea de
los huecos. Debido a ello los electrones libres no pueden llenar huecos y
simplemente se acumulan en la base.
Circuito de Salida en transistor n-p-n
Como
en el caso anterior ahora se
examinara la forma en que trabajaría el transistor si solo se conectara el
circuito colector-base. Igual que en el diodo p-n la corriente inversa en un
transistor está formada por los
portadores minoritarios. En el colector
tipo n, los portadores minoritarios son huecos: empero en la base tipo p
están constituidos por los electrones libres que pasan de la base al colector
para llenar los huecos.
Interacción de entrada y salida
Cuando están conectados,
tanto el emisor como el colector, la operación del transistor n-p-n cambia
considerablemente. En los casos anteriores, la corriente directa del circuito
emisor-base se mantuvo a un nivel bajo, porque la base no tenía suficientes
portadores mayoritarios que interactúan con los emisores libres del emisor.
Además la corriente inversa del circuito
colector-base tuvo un valor bajo, porque de forma análoga el segmento base,
tampoco tenía portadores minoritarios que se combinaran con los elementos
huecos del colector.
Cuando están polarizados tanto el emisor
como el colector, entonces los electrones libres llegan en exceso a la base y
no encuentran huecos para llenar. Por otra parte en el emisor hay muchos
portadores mayoritarios que pueden pasar a la base, difundirse en ella y entrar
en el colector para combinarse con los huecos aumentando de esta manera el
flujo de la corriente del emisor.
Puesto que la polarización aplicada en el
circuito colector-base es inversa. El voltaje del colector solo influye
ligeramente en la cantidad de corriente que fluye en el. Esta más bien depende
del número de electrones libres que suministra en exceso el emisor a la base.
Por otra parte, al circuito emisor-base se le aplica polarización directa, de manera
que este circuito aumenta y disminuye según lo hace la polarización del emisor.
Estas variaciones también determinan el numero de electrones libres que pasan
al emisor base y de esta manera ocasionan un aumento o ni en una disminución de
la corriente del colector. Por consiguiente cualquier cambio en la corriente
del emisor, produce una variación correspondiente en la corriente del colector.
Operación del transistor p-n-p
El
transistor p-n-p opera, en forma semejante al tipo n-p-n, excepto que tiene los
portadores mayoritarios y minoritarios opuestos. Los segmentos del circuito
emisor-base están polarizados en el sentido directo y los segmentos del
circuito colector-base están polarizados inversamente. La polarización directa
en el emisor atrae los electrones de valencia que se alejan de la unión y hacen
que los únicos portadores mayoritarios se desplacen hacia ella. Entonces los
electrones libres que constituyen los portadores mayoritarios de la base cruzan
la unión para llenar los huecos, y gracias a ello, el flujo electrónico del
circuito puede entrar en la base y salir por el emisor. Sin embargo, la base es
delgada e inyectada por pocas impurezas de manera que ordinariamente no tiene
suficientes portadores mayoritarios para llenar todos los huecos del emisor,
razón por la cual la corriente del emisor tiende a ser baja. Entonces, en el
emisor hay muchos huecos en exceso y estos se acumulan cerca de la unión.
Como el colector esta polarizado
inversamente la polaridad del voltaje repele hacia la unión a los electrones
libres que son portadores minoritarios. Dichos electrones cruzan la unión para
llenar los huecos de la base o sea los portadores minoritarios de esta originando
asi en el circuito, un flujo de corriente de electrones libres procedentes del
colector tienden a acumularse en ella y restringir el flujo de corriente. Por
otra parte, estos electrones libres ahora se convierten en los portadores
mayoritarios de la base y serán atraídos a través de la unión para llenar los
huecos acumulados en el emisor. Debido a esto, habrá un gran flujo de corriente
tanto en el circuito de emisor como en el de colector.
La cantidad de corriente de colector será
determinada por el número de huecos en el emisor, en los cuales se introducen
los electrones que llegan desde el colector, a través de la base. El número de
huecos, a su vez, está determinado por la polarización directa aplicada al
circuito emisor. Por tanto, cuando se le aplica al emisor un voltaje de señal
que se suma al voltaje de polarización o se resta de él, variaría la corriente
del emisor y, en consecuencia, también la corriente del colector. Luego si, se
coloca un resistor de carga de gran valor en el circuito de colector, se
obtendrá la misma ganancia que con un transistor n-p-n.
Características de los elementos del
transistor
De
acuerdo con la teoría que se acaba de presentar, el flujo de corriente a través
del transistor es similar al que se produce en un diodo, pero los dos
dispositivos difieren en muchos aspectos y el transistor tiene ciertas
características básicas que le permiten trabajar como amplificador. Primero,
los tres elementos del transistor están inyectados de modo diferente, y
segundo, se “cultivan” en tamaños diferentes. Puesto que el emisor debe
trabajar con polarización directa y proporcionar la corriente mayoritaria, esta
intensamente inyectado para producir muchos portadores mayoritarios. El
colector que debe estar polarizado inversamente, suministra la corriente
minoritaria; por tanto, está inyectando de modo que tenga pocos portadores
mayoritarios. Ello es muy importante porque, si fueran muchos, atraerían a los
minoritarios e impedirían que estos se produzcan por agitación térmica, mientras
que asi, el colector puede producirlos en número suficiente.
Además, el colector se fabrica en un
tamaño mucho mayor que el emisor; gracias a ello, puede producir suficientes
portadores minoritarios cuando se le aplica la polarización inversa apropiada
y, por tanto, la corriente del colector puede ser casi igual a la del emisor.
La base solo está ligeramente inyectada para que produzca muy pocos portadores
mayoritarios y, además, tiene dimensiones pequeñas para que el número de los
portadores minoritarios también sea bajo. Es importante que la base tenga un
poco espesor a fin de que los portadores de corriente se difundan con facilidad
en las superficies contiguas al emisor y al colector.
Ganancia de corriente
Como
ya se dijo, en un transistor la corriente del colector proviene de los
portadores suministrados por el emisor. En realidad, la corriente del emisor
sigue dos trayectorias: una es a través del colector y la otra a través de la
base. Solo de un 2 a un 5 por ciento de la corriente del emisor pasa por la
base, en tanto que el 95 a 98 por ciento restante se convierte en corriente de
colector. Como la corriente del emisor es la de entrada y la corriente del
colector es la de la salida, la ganancia de corriente puede calcularse así:
Ganancia
de corriente =
Por tanto, como la corriente del colector
en este tipo de circuito es aproximadamente 97 por ciento de la corriente del
emisor, la ganancia de corriente es:
Ganancia
de corriente =
=
0.97
Puede verse que para el tipo de circuito
mostrado la ganancia de corriente es un poco inferior a la unidad (es decir,
hay una pequeña perdida). Sin embargo, veremos que el transistor se puede
conectar de otras maneras y, entonces, se obtiene una verdadera ganancia de
corriente.
Ganancias de resistencia, voltaje y
potencia
La
ganancia de resistencia se calcula en forma similar a la ganancia de corriente:
es la relación de la resistencia de salida a la resistencia de entrada, esto
es:
Ganancia de resistencia =
Como la unión base-colector, polarizada
inversamente constituye una gran resistencia de salida, y la unión base-emisor
polarizada en sentido directo, es una resistencia de entraba baja, este tipo de
circuito esta polarizado de tal manera que la resistencia del circuito
emisor-base sea de 150 ohms y la resistencia del circuito-base es de 15,000
ohms, la ganancia de resistencia seria:
Ganancia de resistencia =
=
=
100
La ganancia del voltaje de señal se podría
encontrar dividiendo la diferencia en el voltaje de salida entre una diferencia
dada en el voltaje de entrada que produjo la primera. Sin embargo, si no se
desea tomar mediciones y se conocen la ganancia de corriente y la ganancia de
resistencia, la ganancia de voltaje puede encontarse aplicando la ley de ohm; a
saber:
Ganancia de voltaje = IGAN x
RGAN = 0.97 x 100= 97
Esto
significa que el cambio en el voltaje de salida será 97 veces mayor que el
cambio en el voltaje de entrada.
Ganancia de voltaje = IGAN x
RGAN = 97 x 0.97 = 94.09
Ganancia de voltaje = I2
GAN x RGAN = 0.97 x 0.97 x 100 = 94.09
Comparación
entre tubos y transistores
Puede
verse que aunque los tubos electrónicos y los transistores son
dispositivos totalmente distintos que
operan de maneras diferentes, se parecen en ciertos aspectos y conviene
compararlos para entender mejor como se puede utilizarlos para efectuar labores
similares.
En el tubo la placa recoge la corriente,
como lo hace el colector en el transistor; así, pues, se puede considerar que
estos dos elementos tienen funciones similares. En el tubo los portadores de
corriente se dirigen a la placa debido a la emisión catódica o sea que el
cátodo es similar al emisor que suministra los portadores al colector en un
transistor. En el tubo los portadores de corriente pasan a través de la rejilla
de control; en el transistor, lo hacen a través de la base. En el tubo de
voltaje de polarización entre la rejilla de control y el cátodo controla la
corriente de la placa; en el transistor, el voltaje de polarización controla la
corriente de colector entre la base y emisor.
Es posible comparar circuitos básicos de
transistores con los circuitos básicos de tubos.
Cuando el SCR se enciende, el voltaje del
ánodo al cátodo (VF) caerá hasta el valor de conducción, lo que
ocasiona una corriente de compuerta muy reducida y una muy pequeña perdida en
el circuito de compuerta. Para la región negativa de la señal de entrada el SCR
se apagara debido a que el ánodo es negativo con respecto al cátodo. El diodo D1 se incluye para evitar
una inversión de la corriente de compuerta.
Las formas de ondas para la corriente de
carga y el voltaje resultantes se muestran en la figura 20.11b. El resultado de
todo esto es una señal rectificada de media onda a través de la onda. Si se
desea una conducción menor a 1800, puede cerrarse el interruptor en
cualquier desplazamiento de fase durante la parte positiva de la señal de
entrada. El interruptor puede ser electrónico, electromagnético o mecánico,
según la aplicación.
En la
figura 20.12a se muestra un circuito capaz de establecer un ángulo de
conducción, 90° y 180°. El circuito es similar al de la figura 20.11a excepto
por la adición de un resistor variable y la eliminación del interruptor. La
combinaron de los resistores R y R1 limitará la corriente de
compuerta durante la parte positiva de la señal de entrada. Si R1 se
ajusta en su valor máximo, la corriente de la compuerta podría nunca alcanzar
la magnitud de encendido. A medida que R1 disminuye a partir de su
máximo, la corriente de compuerta se incrementará a partir del mismo voltaje de
entrada. De esta forma, la corriente de compuerta encendido requerido se puede
establecer en cualquier punto entre 0° y 90°, como se muestra en la figura
20.12b como punto si R1 es bajo, el SCR se disparará de forma casi
inmediata, lo que resultará en la misma acción que la obtenida del circuito de
la figura 20.11a (conducción de 180°). Sin embargo, según se indicó antes si R1
se incrementa, será necesario un
voltaje de entrada mayor (positivo) para disparar al SCR. Como se indica
en la figura 20.12b el control no puede extenderse más allá del desplazamiento
de fase de 90° dado que la entrada se encuentra a su máximo en este punto. Si
falla para disparar a este y
A menores valores de voltaje de entrada en
la pendiente positiva de la entrada, la misma respuesta deberá esperarse en la
parte con pendiente negativa de la forma de onda de la señal. Esta operación se
denomina normalmente en términos técnicos como control de fase de media onda
por distancia variable, y es un método efectivo para controlar la corriente
rms, y por tanto, la potencia hacia la carga.
Regulador para cargas de baterías
Una
tercera aplicación popular de la SCR se encuentra en el regulador para cargas
de baterías. Los componentes fundamentales del circuito se muestran en la
figura 20.13. Observe que el circuito de control sea resaltado en un cuadro
para propósitos del análisis.
Como se indica en la figura, D1 y
D2 establecen una señal rectificada de onda completa a través del
SCR1 y de la batería que será cargada. Para voltajes bajos de la
batería, SCR2 se encontrara en el estado de “apagado” por los
motivos que a continuación se explicaran. Con el SCR2 abierto, el
circuito controlado por el SCR1 será exactamente el mismo que el del
interruptor estático en serie que se analizó anteriormente en esta sección.
Cuando la entrada rectificada de onda completa es lo suficientemente grande
para producir la corriente de encendido
requerido de la compuerta (controlada por R1), se encenderá
SCR1 e iniciara la acción de carga de la batería. Al inicio de esta
carga el bajo voltaje de la batería ocasionara un bajo voltaje VR
según lo determina el circuito divisor de voltaje simple. El voltaje VR será
a su vez muy pequeño para lograr la conducción del Zener de 11.0 V. En el
estado de apagado, el Zener es efectivamente un circuito abierto, lo cual
mantiene al SC R2 en el estado “apagado” dado que la corriente de
compuerta es cero. El capacitor S1 se incluye para evitar para que
cualquier transición de voltaje en el circuito accidentalmente encienda al SCR2.
Recuerde de su estudio fundamentalmente de circuitos que el voltaje no
puede cambiar de forma instantánea en un capacitor. De esta forma, S1 evita
que efectos transitorios afecten al SCR.
A medida que la carga continua, el voltaje
de la batería crece hasta un punto VR es lo suficientemente alto
para encender tanto al Zener de 11.0 V como al SCR2 una vez que el
SCR2 se dispara, en
representación de circuito cerrado de SCR2 dará por
resultado un circuito divisor de voltaje determinado por R1 y R2
que mantendrá a V2 en un nivel demasiado pequeño para encender a SCR1.
Cuando esto suceda, la batería se encontrará completamente cargada y el
estado de circuito abierto de SCR1 detendrá la corriente de carga.
De esta forma, el regulador recargará la batería cuando el voltaje caiga y
evitará que se sobrecargue una vez que se encuentre completamente cargada.
Dispositivos pnpn y otros
Rectificador Controlado de Silicio
Dentro
de la familia de los dispositivos pnpn, el rectificador controlado de silicio
(SCR) es, sin duda, de gran interés en la actualidad. Se presentó por primera
vez en 1956 por los laboratorios Bell Telephone. Algunas de las muchas áreas de
aplicación de los SCRs incluyen controles de relevador, circuitos de retardos
de tiempo, fuentes de alimentación reguladas, interruptores estáticos,
controles de motores, recortadores, inversores, ciclo-convertidores, cargadores
de batería, circuitos de protección, controles de calefacción y controles de
fase.
En años recientes, los SCRs se han
diseñado para controlar potencias de hasta 10 MW con niveles individuales tan
altos como 2000 A a 1800 V. su rango de frecuencia de aplicación también se ha
extendido hasta cerca de 50 kHz, lo que ha permitido algunas aplicaciones de
alta frecuencia como la calefacción inductiva y la limpieza ultrasónica.
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