IES MAESTRO MATIAS BRAVO (VALDEMORO). Departamento de Tecnología. Tecnología 4º ESO. Anselmo Prados. Electrónica analógica.

Transcripción

1 Electrónica analógica. La electrónica es el gran invento del siglo XX. Se ha introducido en nuestros hogares convirtiéndose prácticamente en imprescindible (radio, televisión, ordenadores, electrodomésticos, videos, teléfono). Va desde sencillos circuitos en los que se encienden una lámpara al ser de noche y no llegarle claridad, hasta los sistemas complejos de computadoras. Al hablar de ello, hacemos la distinción entre aparatos eléctricos y aparatos electrónicos. Cuáles son las diferencias existentes entre electricidad y electrónica? En la práctica, podemos decir que un circuito es electrónico, y no eléctrico, cuando funciona con tensiones e intensidades bajas (unos pocos voltios y con un consumo de pocos miliamperios), cuando se destina a aplicaciones de cálculo (informática), control automático o manejo de señales de radio. Antes de entrar de lleno se necesita conocer una serie de conceptos básicos sobre conductores eléctricos necesarios para comprender mejor el tema tratado. AISLANTES. Son elementos que prácticamente no conducen la corriente eléctrica. El aislante ideal no existe. Plásticos, cerámicas, vidrio, barnices, papel, etc. CONDUCTOR IDEAL. Es aquel que no ofrece resistencia al paso de la corriente. En la realidad no existe. SEMICONDUCTORES. Es un elemento que bajo unas determinadas condiciones se comporta como conductor ideal y en otras como aislante. Se usan el Silicio y el Germanio. Se estudiarán más adelante. RESISTENCIA DE UN CONDUCTOR. R = ρ L S Donde R: Resistencia, L: longitud, S: Sección (S = π D 2 /4), ρ: resistividad propia del material. MATERIAL ρ (Ω.mm 2 /m) Cobre 0,017 Aluminio 0,028 Hierro 0,13 Plata 0,016 Conductividad: c = 1/ ρ es la inversa de la resistividad. Si observamos un aparato electrónico por dentro, nos daremos cuenta de que se trata de un objeto de gran complejidad, formado por multitud de dispositivos. En un circuito electrónico podemos distinguir los siguientes elementos: Componentes discretos: pequeños dispositivos electrónicos individuales con una funcionalidad muy genérica y limitada. Ejemplos: resistores, condensadores, relés, diodos, transistores, etc. 1

2 Chips (Circuitos Integrados): pequeñas pastillas que contienen miles o incluso millones de componentes discretos integrados en un área muy pequeña (en unos pocos centímetros). Presentan funcionalidades mucho más concretas y aplicadas que los componentes discretos. Ejemplos: temporizador 555, amplificador operacional μ741, memorias, etc. Tarjetas: la asociación de componentes discretos y chips sobre una placa constituye una tarjeta. Las tarjetas presentan funcionalidades muy complejas y avanzadas. Un dispositivo electrónico puede estar formado por una o varias tarjetas, de distinta complejidad. Ejemplos: tarjeta de video, tarjeta de sonido, módem, etc. En este tema nos centraremos exclusivamente en el estudio de los componentes discretos de un circuito electrónico. A estos elementos se les conoce como COMPONENTES ELECTRÓNICOS. TIPOS DE COMPONENTES ELECTRÓNICOS. Los componentes electrónicos se pueden dividir en dos tipos: 1) Componentes pasivos. Son aquellos componentes que actúan como meros receptores y consumidores de la señal eléctrica. No generan ni ganancia ni control de la señal eléctrica. Los componentes pasivos son resistores, condensadores y bobinas. 2) Componentes activos. Se trata de componentes capaces de generar, modificar o amplificar la señal eléctrica. Algunos ejemplos de componentes activos son el diodo y el transistor. RESISTENCIA ELECTRICA O RESISTOR. Ya conoces el concepto de RESISTENCIA ELÉCTRICA y sus unidades (estudiado en ELECTRICIDAD). Las resistencias eléctricas juegan un papel fundamental en cualquier circuito eléctrico, porque fijado el voltaje y según la Ley de Ohm, las resistencias controlan el paso de la corriente eléctrica por el circuito. Las resistencias eléctricas están construidas normalmente de espiras de hilo metálico y presentan problemas de dos tipos: 1. Son muy grandes 2. Generan mucho calor Surge entonces la necesidad de encontrar materiales que cumplan la misma función de resistencia a la electricidad, pero que tengan pequeño volumen y que generen 2

3 poco calor. El resultado fue la utilización de malos conductores como el grafito y carbón y la aparición con ello de las resistencias electrónicas. Representación esquemática de las resistencias En el siguiente dibujo se ve el aspecto exterior de alguno de los tipos de resistencias. El mas usado es el de arriba a la derecha. Las resistencias electrónicas están fabricadas con un conglomerado de grafito o similar, disponen de dos terminales metálicos para su conexión al circuito y están forradas de material cerámico y a veces barnizadas, con una serie de franjas de colores que indican su valor. Cómo se lee una resistencia? Las dos primeras bandas dan una idea del valor base de la resistencia y la tercera banda nos indica por cuanto hay que multiplicar el valor base anterior para obtener el verdadero valor de la resistencia. La cuarta y última banda nos da la tolerancia Dorado 5%, Plateado 10%, sin color 20%, rojo 2%, marrón 1%. La primera banda: Segunda banda: Tercera banda: Cuarta banda: valor base valor base valor multiplicador Tolerancia en porcentaje 3

4 Significado de cada banda Color Valor Multiplicador base Negro 0 x 1 Marrón 1 x 10 Rojo 2 x 100 Naranja 3 x Amarill 4 x o Verde 5 x Azul 6 x Violeta 7 x Gris 8 x Blanco 9 x Oro X 10-1 Plata X 10-2 El resultado se expresa siempre en ohmios (Ω), también se deben utilizar los múltiplos, ohmios (1kΩ). EJEMPLO Para la resistencia de la figura tenemos: Primera banda: rojo (2). Segunda banda: naranja (3). Tercera banda: amarillo (4) Cuarta banda: plateado (10%). Por lo tanto el valor será: 23 X Ohmios = Ω = 230 kω, con una tolerancia del 10%. La tolerancia es la precisión del valor de la resistencia (puede ser un ±10% del valor dado en nuestro ejemplo, cuarta banda plateado). Por tanto el valor de la resistencia del ejemplo anterior puede oscilar entre 207 kω y 253 kω. RESISTENCIAS AJUSTABLES, POTENCIOMETROS Y REÓSTATOS. Las resistencias ajustables son un tipo de resistencias que permiten ser graduadas desde cero a su máxima resistencia. Se utilizan en circuitos que requieren cierta precisión difícil de alcanzar con valores fijos o en circuitos que deban ser ajustados en alguna ocasión para conseguir las máximas prestaciones. Símbolo para representar la resistencia ajustable. 4

5 Girando la ranura del medio, se va obteniendo más o menos resistencia. Los potenciómetros son un tipo de resistencias ajustables que normalmente se gradúan desde el exterior del aparato electrónico por parte del usuario mediante un mando giratorio o deslizante. Podemos clasificarlos en tres tipos: de película de carbón, de película metálica y bobinados. Ejemplos de potenciómetros los tenemos en los mandos de volumen, color, luminosidad de los televisores, en los controles de un equipo de música, etc. Si estudiamos la respuesta en resistencia de este en función del desplazamiento lineal del eje del potenciómetro, nos encontramos con tres tipos de potenciómetros: 1. Lineal 2. Exponencial 3. Logarítmico RESISTENCIAS ESPECIALES SENSIBLES AL CALOR, A LA LUZ Y A LA TENSIÓN. Los resistores dependientes de la temperatura o TERMISTORES son resistores cuya resistencia depende de la temperatura a la que se encuentren. Hay dos tipos de termistores: NTC y PTC: En los NTC (Coeficiente de Temperatura Negativo) disminuye la resistencia al aumentar la temperatura. En los PTC (Coeficiente de Temperatura Positivo) aumenta la resistencia al aumentar la temperatura. Los termistores más habituales son los NTC, y se utilizan como sensores de temperatura en termostatos, termómetros, circuitos de protección de aparatos eléctricos frente a la temperatura, sistemas domóticos, detectores de incendios, etc. Símbolo eléctrico del termistor. Acompañado de t indica que es un NTC. Acompañado de + t indica que es un PTC. 5

6 Resistencias LDR (Resistencia Dependiente de la Luz). Ciertos materiales como el Selenio varían sus propiedades conductoras cuando varía la intensidad de luz que incide sobre ellos. Este efecto se denomina fotoconductividad. Los resistores dependientes de la luz, foto-resistores o LDR (Light Dependent Resistors) son resistores cuya resistencia depende de la luz incidente: En condiciones de oscuridad o poca luz, su resistencia es muy alta (deja pasar muy poca corriente). En condiciones de iluminación, su resistencia es muy baja (deja pasar mucha corriente). Las resistencias LDR, también llamadas fotorresistencias, tienen aplicaciones entre las que destacan puertas automáticas de ascensores, control del alumbrado público, alarmas, máquinas detectoras de luz (visión artificial), etc. Símbolo para representar Aspecto exterior Resistencias VDR (Resistencias Dependientes de la Tensión) Este tipo de resistencia disminuye el valor óhmico al aumentar el voltaje eléctrico entre sus extremos. Símbolo para representar Aspecto exterior 6

7 CONDENSADORES ELÉCTRICOS. Es un componente eléctrico que tiene por misión la de almacenar electrones (carga eléctrica) de forma temporal, en forma de campo eléctrico. Después de las resistencias son los elementos más comunes en los circuitos electrónicos. Un condensador es un dispositivo electrónico pasivo, compuesto por dos placas metálicas (conductoras) separadas por un material aislante (dieléctrico). La cantidad de electricidad que puede almacenar un condensador depende de tres factores: Del tamaño de las placas: a mayor tamaño, mayor capacidad. Del tipo de dieléctrico y del espesor del dieléctrico: a mayor espesor, menor capacidad. La capacidad eléctrica de los condensadores se mide en Faradios (F), pudiendo encontrarse condensadores que se miden en Microfaradios (µf), Nanofaradios (nf) y Picofaradios (pf). Capacidad de un condensador. Siendo: C, capacidad del condensador en Faradios. S sección de las placas enfrentada en m 2 ; d espesor del dieléctrico en m. Є 0 Є r = Є, permitividad o constante del dieléctrico, producto de dos valores, la permitividad del aire de valor constante 8, F/m y la permitividad relativa, que depende del tipo de material interpuesto entre las placas y que carece de unidades. Material Permitividad relativa Є r Baquelita 4,5 Goma 3 Mica 6 PVC 3,5 Papel 1,5 Aire 1 Polietileno 2,5 La capacidad de un condensador es su parámetro más importante. Además de poderse calcular en función de sus factores constructivos, según la formula vista anteriormente, indica la cantidad de carga que un condensador puede almacenar en función de la tensión aplicada y se puede expresar mediante la fórmula: C = ε 0 ε r S d C = Q V Donde Q, carga en culombios (C); C, capacidad en Faradios (F) y V, Voltaje o tensión aplicada entre las placas o bornes del condensador en voltios (V). Si despejamos de la fórmula, la carga almacenada por el condensador será: Q = C V 7

8 Qué aplicaciones tiene un condensador? Son componentes capaces de almacenar carga eléctrica, por lo que se comportan como almacenes de energía eléctrica. El proceso de carga y descarga de energía de los condensadores los hace muy útiles como almacenes temporales de carga, en aplicaciones como temporizadores y retardadores (aunque también se utilizan como baterías, filtros, circuitos de comunicaciones, etc.). Para aplicaciones de descarga rápida, como un flash, en donde el condensador se tiene que descargar a gran velocidad para generar la luz necesaria (algo que hace muy fácilmente cuando se le conecta en paralelo una lámpara de baja resistencia). Como Filtro, un condensador de gran valor se utiliza para eliminar el "rizado" que se genera en el proceso de conversión de corriente alterna en corriente continua. Para aislar etapas o áreas de un circuito: Un condensador se comporta (idealmente) como un cortocircuito para la señal alterna y como un circuito abierto para señales de corriente continua, etc. Símbolo del condensador Varios ejemplos de condensadores (cerámico, de poliéster, electrolítico de aluminio, electrolítico de Tántalo, y condensador variable). Existe unos tipos de condensadores que son de capacidad variable, que tienen como dieléctrico el aire y que están construidas de forma que una de las placas está intercalada entre las otras. Se usan en los circuitos para sintonizar emisoras de radio. Los condensadores electrolíticos son un tipo de condensadores en los que una de las placas metálicas está recubierta por una fina capa de óxido de aluminio que se deposita por electrólisis. Este tipo de condensador, a igualdad de volumen, tiene una capacidad muy superior a cualquier otro tipo de condensador, ya que la separación de sus armaduras es muy pequeña, al estar solamente separadas por la capa de óxido que hace de aislante. Los condensadores electrolíticos tienen una polaridad fija que viene indicada y que debe ser respetada ya que de no hacerlo se estropean. También vienen indicada la capacidad y la tensión máxima que soportan. Símbolo condensador electrolítico 8

9 BOBINAS O INDUCTANCIAS. La bobina es un elemento muy interesante. A diferencia del condensador, la bobina por su forma (espiras de hilo arrolladas) almacena energía en forma de campo magnético. Todo cable por el que circula una corriente, tiene a su alrededor un campo magnético generado por la mencionada corriente, siendo el sentido de flujo del campo magnético el que establece la ley de la mano derecha. Al estar la bobina hecha de espiras de cable, el campo magnético circula por el centro de la bobina y cierra su camino por su parte exterior. Una característica interesante de las bobinas es que se oponen a los cambios bruscos de la corriente que circula por ellas. Esto significa que a la hora de modificar la corriente que circula por ellas (ejemplo: ser conectada y desconectada a una fuente de tensión), esta tratará de mantener su condición anterior. LA INDUCTANCIA de las bobinas se representa por la letra L y se mide en Henrios (H), pudiendo encontrarse bobinas que se miden en milihenrios (mh). El valor que tiene una bobina depende de: El número de espiras que tenga la bobina elevado al cuadrado N 2 (a más vueltas mayor inductancia, o sea mayor valor en Henrios). El diámetro de las espiras o sección del núcleo S (a mayor sección del núcleo, mayor inductancia, o sea mayor valor en Henrios). La longitud del núcleo sobre el que está arrollado el hilo de la bobina l (a mayor longitud del núcleo, menor inductancia). Nunca de la longitud del hilo del que está hecha la bobina. El tipo de material de que esta hecho el núcleo si es que lo tiene. Si no lo tiene, se considera que el núcleo es aire. (Permeabilidad magnética del núcleo, que se representa por la letra μ ) Todos estos parámetros se relacionan según la fórmula: L = 2 N S µ l Qué aplicaciones tiene una bobina? Una de las aplicaciones más comunes de las bobinas es la fabricación de motores y transformadores. La fabricación de electroimanes, y una aplicación de éstos que son los relés. En los sistemas de iluminación con tubos fluorescentes existe un elemento adicional que acompaña al tubo y que comúnmente se llama balastro o reactancia. En las fuentes de alimentación también se usan bobinas para filtrar componentes de corriente alterna, y solo obtener corriente continua en la salida. Símbolo de la bobina 9

10 Aplicación de las bobinas: Los relés. El relé es una combinación de un electroimán y un interruptor. Consta de dos circuitos, el de mando y el de potencia. En el circuito de potencia hay un interruptor, con sus contactos disponibles. El circuito de mando es el electroimán que mediante un mecanismo cuando circula corriente por él, hace que se cierre el contacto del interruptor de potencia. Cuando deja de circular corriente por el electroimán el mecanismo hace que se abra el contacto de potencia. Existen varias posibilidades en el circuito de potencia, un interruptor, un conmutador, dos conmutadores, etc. Esquema y símbolo del relé 10

11 MATERIALES SEMICONDUCTORES SEMICONDUCTORES INTRINSECOS. Como se dijo en la introducción, existen materiales que son buenos conductores de la electricidad como la plata, el cobre, el aluminio, etc. También existen otros materiales que no permiten el paso de la corriente eléctrica y que llamamos aislantes, como el plástico, la goma, el vidrio, etc. Los materiales semiconductores son aquellos que no pueden ser considerados ni conductores ni aislantes. Su resistencia eléctrica puede ser poca o mucha dependiendo de las condiciones a que sean sometidos. Normalmente se presentan en la naturaleza en forma de minerales cristalizados. El nombre de semiconductor se aplica a un gran número de minerales y compuestos químicos, siendo los más representativos el Germanio y el Silicio. Los electrones que giran alrededor del átomo están sometidos a dos fuerzas: una de atracción del núcleo (fuerza de Coulomb) y otra hacia fuera, al girar a cierta velocidad alrededor del núcleo (fuerza Centrífuga). Cuando un átomo se calienta, al suministrarle energía, se aumenta la velocidad de sus electrones, y por lo tanto su fuerza centrífuga. Cuando la fuerza centrífuga resulta mayor que la fuerza de Coulomb el electrón se desprende de su orbita en dirección contraria al campo y queda un hueco, que es el espacio vacío que queda al escapar un electrón. A la energía necesaria para que esto ocurra se le llama Energía de Ionización. Un electrón ligado es aquel que está en orbita y para que se libere hay que darle la Energía de Ionización. Los primeros electrones que se escapan son los electrones de valencia, al darle energía. Tanto el GERMANIO como el SILICIO son del grupo 4B con cuatro electrones de valencia (tetravalente) y los átomos unidos entre sí por enlace covalente. Queda rodeado por una estructura de ocho electrones. Al suministrarle energía y aumentar la temperatura, esto supone un aumento de la velocidad de los electrones. Cuando llega un punto en que la fuerza centrifuga es mayor que la fuerza de Coulomb el electrón salta de su orbita. Cuando un electrón se calienta y se libera ya comienza a ser conductor el semiconductor. Los electrones se mueven en dirección contraria al campo eléctrico. Para que un electrón salte a una capa del mismo nivel no necesita energía, y van moviéndose los electrones dejando huecos. 11

12 Y así sucesivamente se van moviendo los electrones ocupando los huecos y dejando a su vez otros huecos. Hay por lo tanto dos movimientos de electrones: 1. De los electrones libres que se desprenden y se mueven libremente por el semiconductor. 2. De los electrones ligados que se mueven por los huecos que han dejado los electrones libres al desprenderse. Un material semiconductor hecho sólo de un solo tipo de átomo, se denomina intrínseco. El primer problema que se tiene es que se necesita una temperatura muy elevada y no es rentable. Por ello se pensó en la manera de hacerlo sin tener una temperatura tan elevada y es añadiendo impureza, o lo que es lo mismo, dopándolo, pero controladamente para obtener la respuesta que se desee. SEMICONDUCTORES EXTRÍNSECOS. SEMICONDUCTORES POSITIVOS (de tipo P) Cuando al Silicio o al Germanio se le dopa con un elemento del grupo III como el Boro, el Aluminio, el Galio, etc., que tienen tres electrones de valencia, se produce una red en cuyo interior faltan tantos electrones como átomos del elemento añadidos, formando de este modo un cuerpo cargado positivamente, es decir un conductor electro-positivo, tipo P. (ABUNDANCIA DE HUECOS) n Al someterlo a un campo eléctrico ya comienzan a circular los electrones ligados por los huecos. Como < p se dice que es un semiconductor de tipo P. A los semiconductores dopados se le dicen que son extrínsecos. En este caso se dice que tiene impurezas aceptoras, ya que faltan electrones para el enlace covalente. SEMICONDUCTORES NEGATIVOS (de tipo N) Si, en lugar de doparlo con un elemento del grupo III, se le dopa con un elemento del grupo V, como el Fósforo, el Arsénico, o el Antimonio, que tienen cinco electrones de valencia, se produce una red con tantos electrones sobrantes como átomos hemos añadido del elemento del grupo V. Ahora los electrones sobrantes ya se mueven en dirección contraria al campo sometido. Como n > p se dice que es un semiconductor de tipo N. (ABUNDANCIA DE ELECTRONES) 12

13 Introducir un átomo en la estructura molecular de otro se llama dopaje. Conclusión: Tanto en el tipo N, porque hay naturalmente electrones sin sitio, libres, moviéndose continuamente, como en el tipo P, que al haber huecos, se provoca que electrones enlazados se vayan al nuevo hueco, existen corrientes eléctricas provocadas. Estas corrientes son mayores que si el conductor fuera intrínseco. En la actualidad, los semiconductores han cobrado una enorme importancia tecnológica, ya que han permitido la revolución de la electrónica, las telecomunicaciones, la informática, etc. La mayoría de dispositivos electrónicos actuales incorporan componentes o chips fabricados con materiales semiconductores. Esto es así debido a las importantísimas ventajas que ofrecen (reducido tamaño, pequeño consumo, bajo precio y gran potencia de trabajo). Los elementos activos como el diodo y el transistor son dispositivos construidos con materiales semiconductores, y su funcionamiento se basará en el principio de funcionamiento de los semiconductores. DIODO Si al cristal de Silicio o de Germanio lo dopamos en sus caras opuestas con sustancias distintas de tal modo que se forme por un lado un cristal de tipo P y en el lado opuesto un cristal de tipo N, obtendremos un diodo. Se denomina diodo (diodo de unión PN) a la unión de dos semiconductores extrínsecos, uno de tipo P y otro de tipo N. El diodo semiconductor es un componente electrónico activo que sólo permite que la corriente eléctrica pase a través de él en un solo sentido (el indicado por la flecha de su símbolo eléctrico). Identificación de patillas en el diodo rectificador Cuando el diodo está polarizado directamente, es decir el positivo al ánodo y el negativo al cátodo, conduce y permite circular la corriente. Si se le aplica al diodo polaridad inversa el diodo no permite circular la corriente. Polarización inversa La lámpara no enciende Para conocer la polaridad del diodo, en el cuerpo de éste viene una banda que indica el extremo correspondiente al cátodo Polarización directa La lámpara enciende 13

14 Existen dos tipos básicos de diodos: diodos rectificadores (anterior) y diodos LED. El diodo LED es un diodo emisor de luz. Se encuentran en el mercado en varios colores: rojo, verde, amarillo, naranja, etc. Hay que polarizarlos directamente para que funcionen. La tensión máxima que soportan sin deteriorarse suele rondar entre dos y tres voltios, por ello si la pila o fuente de alimentación es de superior voltaje tenemos que ponerle una resistencia en serie con ellos para su protección. Identificación de patillas en el diodo LED Aplicaciones del diodo. Rectificación de la corriente alterna. Fuentes de alimentación. La corriente alterna se puede utilizar, sin rectificar, para calefacción, iluminación, algunos motores, etc. Pero existen otras muchas aplicaciones en las que se necesita que la corriente sea continua. Para ello necesitamos un circuito rectificador. Los diodos de Silicio, permiten pasar a través de ellos una intensidad grande y por eso su aplicación más común es la rectificación de corriente alterna, es decir, con ellos podemos transformar la corriente alterna en corriente continua. La función del transformador es reducir el voltaje de la red eléctrica (230 V) a un valor adecuado para su rectificación y la carga que se conecte. CIRCUITO RECTIFICADOR DE MEDIA ONDA: con un solo diodo y un transformador. 14

15 Formas de onda: Alterna Rectificada media onda Rectificada media onda con filtro por condensador. Este tipo de diodos también se usan como protección de diversos circuitos electrónicos impidiendo que circulen corrientes en sentido contrario. RECTIFICADOR DE DOBLE ONDA U ONDA COMPLETA. (Con un puente rectificador o puente de diodos y un transformador.) 15

16 Conducen D 1 y D 3 en el semiciclo positivo y conducen D 2 y D 4 en el semiciclo negativo. Cuando la parte de la onda es positiva en A, la corriente pasa por el diodo D1 (que está polarizado directamente) hacia la carga y después por el diodo D3 (que también está polarizando directamente) finalizando en el negativo. Cuando la onda es positiva en B, la corriente pasa por D2 hacia la carga y después por D4 finalizando en el negativo. La corriente de esta forma siempre circula por la carga en el mismo sentido Forma de onda sin filtro por condensador Cuando se introduce corriente alterna en un único diodo se dice que es un rectificador de media onda, ya que deja pasar solo la parte positiva. Cuando se utiliza el circuito de la figura anterior se dice que es un rectificador de doble onda, ya que rectifica tanto la parte positiva como la negativa. 16

17 Ejercicios prácticos realizados con el programa de diseño y simulación Crocodile Technology. Monta estos circuitos en Crocodile: Visualiza en el osciloscopio y dibuja el voltaje a la salida del transformador (rojo) y a la salida del diodo (azul). Selecciona para el osciloscopio un rango de +6 a -6 Voltios y una escala de tiempos de 10 ms. Visualiza en el osciloscopio y dibuja el voltaje a la salida del condensador (sonda violeta) 17

18 EL TRANSISTOR BIPOLAR. Los transistores son los dispositivos electrónicos capaces de realizar dos tareas básicas distintas: amplificar señales y servir de interruptores controlados. El desarrollo tecnológico del siglo XX en cuanto a telecomunicaciones, informática y automatización de múltiples tareas no hubiese sido posible sin haber sido inventado este pequeño dispositivo. Hay tres tipos de transistores: el BJT (Bipolar Juction Transistor Transistor de unión bipolar), el transistor FET (Field Effect Transistor Transistor de efecto campo) y el CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor Semiconductor metal óxido complementario). Nosotros sólo vamos a aprender algunas nociones del primero, el BJT. En el año 1942, los físicos norteamericanos Bardeen, Brattain y Shockley investigando con semiconductores, descubrieron el transistor. Debido a la gran importancia de dicho descubrimiento, se les concedió en 1956 el Premio Nóbel de Física. Aspecto exterior, diferentes encapsulados Internamente, el transistor es un componente semiconductor formado por un cristal que contiene una región P entre dos regiones N (transistor NPN), o una región N entre dos regiones P (transistor PNP). La diferencia que hay entre un transistor PNP y otro NPN radica en la polaridad de sus electrodos. Símbolo del transistor NPN Polaridad de los electrodos Símbolo del transistor PNP Cada una de estas regiones semiconductoras tiene una conexión. La región central se llama base (B) y las otras emisor (E) y colector (C). 18

19 Funcionamiento básico del transistor. De forma simplificada, se puede decir que el transistor se comporta como un interruptor controlado por la corriente que le entra por el Terminal de Base: 1) Si no llega corriente a la base, el transistor se comporta como un interruptor abierto: la resistencia entre colector y emisor es altísima (se comporta como aislante), la bombilla no recibirá corriente y no se encenderá. 2) Si le llega una pequeña corriente a la base (I BASE ), el transistor reduce drásticamente su resistencia entre colector y emisor (se vuelve conductor). 3) Como la resistencia entre colector y emisor se reduce, el transistor se comporta como un interruptor cerrado: circulará una corriente muy grande (I COLECTOR ) a la bombilla y se encenderá. La corriente de Colector muy alta (mucho más que la de Base), por lo que el transistor también funciona como un amplificador. Además, el transistor permite controlar la magnitud de la gran corriente de Colector. Controlando el valor de la pequeña corriente que llega a la Base, se puede controlar la resistencia entre Colector y Emisor, y por tanto el valor de la corriente de Colector. Como en el transistor no se acumula carga, se cumple que la corriente que sale por el emisor es igual a la suma de las corrientes que entran por la base y el colector. Estados de funcionamiento Se diferencian tres estados de funcionamiento, que dependen de las características dinámicas del circuito en el que va conectado. Estas características son: 1.- Saturación. El transistor permite el paso de corriente desde el colector al emisor. De todas formas esta corriente no puede ser demasiado elevada, ya que la propia corriente calienta al transistor por efecto Joule y si se calienta excesivamente, puede estropearse de forma permanente. 19

20 2.- Corte. En este estado el transistor no permite el paso de corriente entre el colector y el emisor, se comporta como si fuera un interruptor abierto. 3.-Amplificación. Cuando un transistor se encuentra en este estado de funcionamiento, permite amplificar la potencia de una señal. Por lo tanto si lo que se pretende es que el transistor se comporte como un interruptor controlado electrónicamente, lo único que hay que conseguir es que pase de los estados de saturación a corte y viceversa. Eso sí hay que tener en cuenta las limitaciones de corriente, para no deteriorarle. El transistor funciona como interruptor CERRADO cuando le aplicamos una corriente a la base y como interruptor ABIERTO cuando no le aplicamos corriente a ésta. En electrónica digital, los transistores suelen estar funcionando en saturación o en corte. EL TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR. Los físicos que descubrieron el transistor se dieron cuenta que mediante la variación de una corriente débil aplica a la base podían gobernar otra mucho mas intensa entre colector y emisor. Esto significa que pequeñas corrientes eléctricas pueden ser amplificadas, o lo que es lo mismo, que señales débiles pueden transformarse en otras suficientemente fuertes. Como resumen: 1. Por la base no se le suministra corriente: transistor no deja conducir entre colector y emisor. 2. Por la base se le suministra una pequeña corriente: Se puede controlar el paso de corriente entre el colector y el emisor. La corriente que pasa entre colector y emisor es mucho mayor que la corriente que le suministramos a la base. 3. Se le suministra suficiente corriente a la base para que circula la máximo corriente entre colector y emisor, se dice que el transistor está saturado y la corriente que se le suministra a la base es la necesaria para producir la saturación del transistor. Cuando trabaja como interruptor el transistor trabaja en corte y en saturación, mientras que cuando trabaja como amplificador trabaja con corrientes en la base menores para controlar la corriente entre colector y emisor. Ganancia de corriente. Como se ha comentado, cuando el transistor recibe por la Base una pequeña corriente, permite la circulación de una corriente altísima entre Colector y Emisor. Es decir, además de funcionar como interruptor, funciona como amplificador de la corriente de la 20

21 Base (recibe una pequeña corriente de Base, y genera una grandísima corriente de Colector). A la relación entre la corriente de Base y la corriente de Colector se le llama GANANCIA DE CORRIENTE (β ó h FE ): β ( h ) = fe I I C B Un transistor con una ganancia β = 100 significa que generará una corriente de Colector 100 veces más grande que la corriente de Base. Ejercicios prácticos realizados con el programa de diseño y simulación Crocodile Technology. Detector de luz. Diseñar los circuitos con el programa Crocodile Technology y explicar su funcionamiento. 21

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