Primeros pasos con la electrónica: Transistores

Publicado por Loli Diéguez en

El transistor está en casi todos los dispositivos electrónicos que nos rodean, desde televisores, teléfonos inteligentes, ordenadores portátiles e incluso hasta en naves espaciales.

El transistor

La invención del transistor fue el comienzo de una revolución tecnológica que aún está creciendo. Todos los dispositivos complejos y sistemas electrónicos que nos rodean hoy en día son el resultado de los primeros desarrollos del transistor. 

Con el tiempo, los transistores se han vuelto tan pequeños que ahora un microprocesador moderno contiene miles de millones de ellos.

                                                                                                      

Un transistor es simplemente lo que obtendrías si apilaras dos diodos y unieras sus ánodos. Puedes saber más sobre diodos  aquí. 

Se puede utilizar como " interruptor " o como " amplificador ", y se puede organizar un grupo de transistores para poder formar componentes electrónicos digitales más complejos, como por ejemplo: puertas lógicas, memorias digitales y microprocesadores.

Transistor como interruptor 

A diferencia del interruptor mecánico, un transistor no tiene partes móviles y tampoco requiere que una persona controle el interruptor. Además, se puede encender y apagar mucho más rápido que el interruptor mecánico. Y por encima de todo esto, es que es increíblemente pequeño.

Transistor como amplificador 

El transistor también se puede utilizar para amplificar la corriente. Si introduces una señal fluctuante débil, como la que encontrarías en un micrófono, en la entrada de un transistor, seria una señal amplificada en el altavoz.

Existen diferentes tipos de transistores. Los tipos más comunes son el  transistor de unión bipolar (BJT)  y el transistor de efecto de campo (FET) . Aquí puedes ver la lista completa .

 

Transistor de unión bipolar (BJT)

Los transistores son dispositivos de tres terminales, en un transistor de unión bipolar, esos pines se denominan  colector (C) , base (B) y emisor (E) . 

Hay dos versiones del transistor BJT: NPN y PNP,  que describen la disposición física de los materiales semiconductores de los que están hechos. Esto solo cambia la dirección del flujo de la corriente. 

Por ahora, centrémonos solo en el transistor NPN más común.

El principio básico sobre los transistores es que al proporcionar una pequeña corriente entre la base y el emisor, permitirá que fluya una corriente mayor entre el colector y el emisor.

Modos de operación

Hay cuatro modos distintos de funcionamiento en el transistor que dependen de los voltajes en sus tres terminales. 

Los cuatro modos son: 

  • Saturación : el transistor funciona como un interruptor en estado ENCENDIDO.
  • Corte : el transistor funciona como un interruptor en estado APAGADO. 
  • Activo : el transistor funciona como amplificador.
  • Activo inverso  : el transistor funciona como un amplificador menos eficaz que el modo activo y, por lo tanto, no se utilizará.

 

En los modos de saturación y corte , el transistor funcionará como un interruptor. 

Si el voltaje entre la base y el emisor excede un voltaje de umbral (alrededor de 0,7 V en la mayoría de los transistores), permitirá que la corriente fluya entre el colector y el emisor donde está el circuito principal. Si cae por debajo de ese voltaje umbral, la corriente dejará de fluir y el transistor se apagará.

 

El modo activo es el modo más potente del transistor porque convierte el dispositivo en un amplificador. La corriente que ingresa a la base amplifica la corriente que va entre el colector y el emisor.

Para operar en modo activo, el voltaje base debe ser menor que el colector pero mayor que el emisor. Eso también significa que el colector debe ser mayor que el emisor. La  ganancia  (factor de amplificación) de un transistor  β  relaciona linealmente la corriente del colector con la corriente base.

El valor real de β varía según el transistor. Suele rondar los 100, pero puede oscilar entre 50 y 2000, según el transistor que estés utilizando y la cantidad de corriente que lo atraviese. Si tu transistor tuviera un β de 100, por ejemplo, eso significaría que una corriente de entrada de 1 mA en la base podría producir una corriente de 100 mA a través del colector.

 

Aplicaciones BJT

Puente en H

Un puente H es un circuito simple que te permite controlar la dirección de un motor de CC mediante transistores. 

Un motor de CC gira en sentido horario o antihorario dependiendo de la polaridad del voltaje aplicado al motor. El circuito consta de cuatro transistores que actúan como interruptores, dos PNP y dos NPN. Al abrir dos interruptores y cerrar los otros dos, puedes controlar la dirección del motor.

Normalmente controlarías los transistores utilizando un microcontrolador como un Arduino. Lo más importante es asegurarte de que todos los transistores puedan manejar suficiente corriente para el motor, de lo contrario se quemará. 

Por ejemplo, si el motor consume 1 amperio de corriente, necesita transistores que puedan manejar un mínimo de 1 amperio.

Transistor Darlington

Los transistores Darlington son dos BJT conectados entre sí de tal manera que la corriente amplificada por el primer transistor se amplifica aún más por el segundo. Esta configuración proporciona una ganancia de corriente mucho mayor que la de cada transistor por separado. 

Un transistor Darlington típico tiene una ganancia de corriente de 1000 o más, por lo que solo se necesita una pequeña corriente de base para que el par cambie a corrientes de conmutación más altas. 

Un par Darlington se comporta como un solo transistor, lo que significa que tiene una base, un colector y un emisor. Un inconveniente es una duplicación aproximada del voltaje base-emisor. Dado que hay dos uniones entre la base y el emisor del transistor Darlington, el voltaje base-emisor equivalente es la suma de ambos voltajes base-emisor. 

Los transistores Darlington se pueden usar en circuitos de alta corriente, como los que involucran el control de motores o relés. La corriente se amplifica desde el nivel bajo normal de la línea de salida hasta la cantidad que necesita el dispositivo conectado.

Fototransistor y optoacoplador

El fototransistor es un transistor que puede detectar los niveles de luz y alterar la corriente que fluye entre el emisor y el colector de acuerdo con el nivel de luz que recibe. 

Las características del fototransistor, bajo diferentes intensidades de luz, son muy similares a las características de un transistor bipolar convencional, pero con los diferentes niveles de corriente de base reemplazados por los diferentes niveles de intensidad de luz.

Hay una pequeña cantidad de corriente que fluye en el fototransistor incluso cuando no hay luz. Esto se llama corriente oscura y representa la pequeña cantidad de electrones que se inyectan en el emisor. Al igual que los electrones fotogenerados, esto también está sujeto a la amplificación por parte del transistor.

El fototransistor se puede combinar con un LED para formar un optoacoplador. Un optoacoplador es un componente electrónico que transfiere señales eléctricas entre dos circuitos aislados mediante el uso de luz. Los optoacopladores evitan que los altos voltajes afecten al sistema que recibe la señal.

Los optoacopladores suelen estar contenidos en un solo paquete, a menudo del tamaño de un circuito integrado. 

Si estás diseñando un dispositivo electrónico que pueda tener picos de voltaje, rayos, picos de suministro de energía, etc., entonces necesitarás uno para proteger los dispositivos de bajo voltaje. 

Un optoacoplador puede:

  • Eliminar el ruido eléctrico de las señales
  • Aislar los dispositivos de bajo voltaje de los circuitos de alto voltaje
  • Permite utilizar pequeñas señales digitales para controlar voltajes de CA más grandes.

Transistor de efecto de campo (FET)

Un transistor de efecto de campo (FET) consiste en un canal de material semiconductor a través del cual puede fluir la corriente, con un material diferente que controla la conductividad de este canal. Un extremo del canal se conoce como  fuente , el otro extremo del canal se llama  drenaje y el mecanismo de control se llama  puerta . Al aplicar un voltaje a la puerta, controlas el flujo de corriente desde la fuente hasta el drenaje.

Hay dos tipos de transistores de efecto de campo, la  N-canal FET y la  P-canal FET.

 

Los FET se han vuelto mucho más populares que los transistores bipolares debido a su uso en circuitos integrados (CI), donde miles de transistores trabajan juntos para realizar una tarea. Esto se debe a que son dispositivos de baja potencia cuya estructura permite que miles de FET de canal N y P se apilen en una sola pieza de silicio. Cuando el FET actúa como un interruptor de APAGADO, la corriente de la puerta es prácticamente cero, mientras que la corriente base del BJT es siempre un valor mayor que cero.

El transistor de efecto de campo tiene otra ventaja importante sobre los transistores bipolares estándar, su impedancia de entrada es muy alta (miles de ohmios) mientras que la impedancia de entrada de los BJT es comparativamente baja. Esta impedancia de entrada muy alta los hace muy sensibles a las señales de voltaje de entrada, pero el precio de esta alta sensibilidad también significa que pueden dañarse fácilmente con la electricidad estática.

Hay dos tipos principales de transistores de efecto de campo: el transistor de efecto de campo de  unión ( JFET)  y el  transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET) .

Aplicaciones FET

Amplificador de búfer

Un búfer digital es un elemento de circuito electrónico que se utiliza para aislar la entrada de la salida, sin proporcionar voltaje o un voltaje que es el mismo que el voltaje de entrada. Debido a la alta impedancia de entrada y la baja impedancia de salida, un FET actúa como un excelente amplificador de búfer. Eso significa que consume muy poca corriente y no perturbará el circuito original. 

También se le llama búfer de ganancia unitaria porque proporciona una ganancia de 1, lo que significa que proporciona como máximo el mismo voltaje que el voltaje de entrada, sin ninguna función de amplificación.

Multiplexor

En la siguiente figura se muestra un multiplexor analógico, un circuito que dirige una de las señales de entrada a la línea de salida. Cuando las señales de control (V1, V2 y V3) son más negativas que el voltaje aplicado entre la puerta y los terminales de la fuente, entonces el FET opera en su región de corte. Al hacer que cualquier voltaje de control sea igual a cero, una de las entradas se puede transmitir a la salida. Por ejemplo, cuando V1 es cero, la señal obtenida en la salida será sinusoidal. De manera similar, cuando V2 es cero, la señal obtenida en la salida será triangular y cuando V3 es cero, la señal de salida será de onda cuadrada uno. Normalmente, solo una de las señales de control es cero.

Limitador de corriente

Los JFET también se pueden utilizar para limitar la corriente. Cuando la corriente de carga intenta aumentar a un nivel excesivo (puede deberse a un cortocircuito o cualquier otra razón), la corriente de carga excesiva fuerza al JFET a la región activa, donde limita la corriente. 

 

En 1975, Gordon Moore propuso que el número de transistores en un chip de silicio se duplicaría cada dos años, como ahora se conoce como Ley de Moore. 

Sin embargo, a partir de 2010, la Ley de Moore comenzó a fallar y hoy en día muchos se preguntan si nuestra era de crecimiento sin precedentes está llegando a su fin.

Las fugas eléctricas son el factor principal que contribuye a la desaceleración del ritmo de crecimiento. A medida que los transistores se hicieron más pequeños, tan pequeños como 10 nanómetros, el canal que lleva la corriente eléctrica a través del transistor no siempre puede contenerla. Esto genera calor que puede desgastar los transistores más rápidamente, haciéndolos aún más susceptibles a fugas.

                                                                                                        

Los transistores están alterando el panorama de la tecnología. Los ordenadores alguna vez pesaron 30 toneladas y ahora puedes incluso llevar uno en tu muñeca.

Los materiales de los transistores también están cambiando. Gracias a los recientes avances en la investigación, los transistores ahora se pueden fabricar con materiales como grafeno, moléculas de benceno o incluso ADN. Esto podría conducir a procesadores de ordenador que sean miles de veces más rápidos que los productos basados ​​en silicio.

No importa a dónde vaya el desarrollo, es seguro que los ordenadores serán más rápidos, más baratos y mucho más pequeños.


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