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I.E.S. “JULIO REY PASTOR”
CURSO 2013/2014: 4º ESO.
TEMA 1. “ELECTRÓNICA I. TRANSISTOR”
1. ESTRUCTURA DEL TRANSISTOR.
El transistor está formado por la unión de tres capas de material semiconductor, de tipo P y tipo N,
dispuestas de forma alternada ( en forma de sándwich). Según la disposición de estas capas, podemos tener dos
tipos de transistores:
- Transistor PNP.
- Transistor NPN. Son los más utilizados.
Cada una de las tres partes que constituyen el transistor se conecta a un terminal metálico que permitirá
conectarlo a un circuito. Todo el conjunto se recubre con un encapsulado protector, que puede adoptar diversas
formas y está fabricado de materiales diversos (plásticos, metal ...). Por tanto, el transistor es un dispositivo de
tres terminales, que reciben los nombres de emisor, base y colector.
Podemos considerar el transistor constituido por dos diodos:
-
Uno formado por la unión emisor-base.
Otro por la unión base-colector.
Esta peculiar estructura constituye la base de funcionamiento del transistor, pues el terminal de base
controla el paso de corriente eléctrica entre el colector y el emisor.
En el dibujo siguiente la flecha indica la
dirección de la corriente que circula a través del emisor:
en un transistor NPN es saliente, mientras que en un
transistor PNP va en sentido contrario, es decir, hacia
dentro del dispositivo y, por consiguiente, la flecha se
dibuja al revés.
Por el transistor circulan un conjunto de corrientes eléctricas cuyas direcciones y sentidos, para un
transistor NPN, son:
- IB = intensidad de corriente de base.
- IC = intensidad de corriente de colector
- IE = intensidad de corriente de emisor.
Se observa que las corrientes de base y de colector
entran en el transistor, mientras que la corriente de emisor
sale del dispositivo; en consecuencia, podemos establecer la
siguiente relación:
IE = IB + IC
Si conocemos dos de las corrientes del transistor, la expresión nos permitirá calcular la tercera.
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TEMA 1. “ELECTRÓNICA I. TRANSISTOR”
Entre los terminales del transistor se generan las siguientes caídas de tensión:
- VCE = tensión colector-emisor.
- VBE = tensión base-emisor.
2. POLARIZACIÓN DEL TRANSISTOR.
La acción de polarizar un transistor consiste en conectarlo a un circuito exterior, llamado circuito de
polarización, que está formado por un conjunto de generadores y resistencias.
Al conectar el transistor al circuito de polarización se establecen los valores de corriente y voltaje
requeridos en los terminales del dispositivo (VBE, VCE, IB, IC, IE). Dichos valores constituyen el llamado punto
de trabajo del transistor y, su valor dependerá de las magnitudes de las resistencias y de los generadores
conectados. El circuito de polarización del transistor más sencillo está formado por dos generadores:
- Uno de ellos proporciona la tensión de base VBB.
- El otro proporciona la tensión de colector VCC.
Si el transistor es de tipo NPN, los polos
positivos de cada generador se conectan a la base y al
colector; y los polos negativos, al emisor. Si el transistor
fuera de tipo PNP, los polos negativos de cada generador
se conectarían a la base y al colector, y los polos
positivos al emisor. En cualquier caso, el terminal emisor
se conecta de forma común a ambos generadores, por lo
que este tipo de conexión se denomina configuración en
emisor común.
El circuito de polarización suele incluir al menos dos resistencias, cuya finalidad es limitar las corrientes
que circulan por la base y el colector, y que reciben los nombres:
- RB = resistencias de base.
- RC= resistencias de carga.
Si observamos el circuito de polarización del transistor en emisor común, podemos diferenciar dos
circuitos, que tienen el mismo emisor y que denominaremos circuito de base y circuito de colector.
Usando un transistor NPN se cumplen las siguientes relaciones:
- Circuito de base:
VBB = VBE + IB · RB
VBB – VBE
IB = -------------------RB
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- Circuito de colector:
VCC – VCE
IC = --------------------RC
VCC = VCE + IC · RC
2.1. DIVISOR DE VOLTAJE.
Al conectar dos resistencias en serie a un generador, la
tensión suministrada por éste se reparte entre ambas de forma
proporcional al valor de dichas resistencias (cuanto mayor sea
la resistencia, más grande será el voltaje en ella y viceversa). De
esta forma, las resistencias actúan como un divisor de tensión o
voltaje, y permiten obtener tensiones distintas en diferentes
puntos del circuito a partir de un único generador.
Se puede acoplar un divisor de tensión al circuito de
polarización de base, por lo que se emplea un único generador,
pudiéndose prescindir de VBB. Dicho divisor de tensión está
formado por las resistencias R1 y R2. El circuito de polarización
resultante es el siguiente:
3. FUNCIONAMIENTO DEL TRANSISTOR.
La propiedad fundamental que presenta el transistor es que permite controlar el paso de la corriente
eléctrica entre el colector y el emisor mediante la corriente de base, por lo tanto, se comporta como un
interruptor controlado por corriente.
-
Si la corriente de base es nula o muy pequeña, el transistor no conducirá y se comportará como
un interruptor abierto, que impide el paso de corriente entre el colector y el emisor.
-
Cuando la corriente de base alcance el valor adecuado, el transistor conducirá la corriente y se
comportará como un interruptor cerrado, permitiendo el paso de corriente eléctrica entre el
colector y emisor.
Dependiendo de la magnitud de la corriente de base, podemos considerar tres zonas de funcionamiento
del transistor: zona de corte, zona activa y zona de saturación.
3.1. ZONA DE CORTE.
Se caracteriza porque el transistor no conduce la corriente y se comporta como un interruptor abierto.
Está situación se produce cuando la intensidad de la corriente de base IB es nula o muy pequeña.
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El valor de la corriente de base IB dependerá, a su vez, del valor de VBE. No hemos de olvidar que se
puede considerar que el transistor está formado por dos diodos, y que para que exista conducción en un diodo es
necesario que se supere su voltaje o tensión umbral (en este caso, el voltaje umbral del diodo formado por la
unión base-emisor). En consecuencia, cuando VBE < VUMBRAL, la corriente eléctrica que circula por la base será
demasiado pequeña para que sea posible la conducción a través del transistor.
En el caso de transistores de silicio, este valor umbral es de 0’7 v, Por tanto, si VBE < 0’7 v, el transistor
de silicio estará en estado de corte.
3.2. LA ZONA ACTIVA.
Se caracteriza porque el transistor conduce la corriente eléctrica parcialmente. Esta situación se
produce cuando la intensidad de la corriente de base IB ha alcanzado el valor suficiente para hacer posible el
paso de corriente entre el colector y el emisor (es decir, se ha superado la tensión umbral necesaria para que el
diodo formado por la unión base-emisor conduzca la corriente).
En la zona de funcionamiento activa, la corriente eléctrica que circula por el colector está relacionada
con la corriente de base a través de la siguiente expresión:
IC = β · I B
El factor β es un número mayor que 1 (en la práctica suele superar el valor 100), de forma que la
corriente de colector de salida será mayor que la corriente de base de entrada. En consecuencia, en la zona
activa el transistor no sólo conduce, sino que además se comporta como un amplificador de corriente.
El factor β se denomina ganancia de corriente del transistor y expresa la capacidad de amplificación
del dispositivo. Es característico del transistor y es un dato que suele proporcionar el fabricante.
En este caso, una vez conocida IC, podemos calcular el valor de VCE a partir de la expresión:
VCE = VCC – IC · RC
Y obtendremos así el punto de trabajo del transistor.
3.3. LA ZONA DE SATURACIÓN.
El funcionamiento descrito en la zona activa no se mantiene de forma indefinida; si se aumenta
progresivamente el valor de la corriente de base, se alcanza un límite por encima del cual el transistor llega al
llamado estado de saturación. En esta zona de funcionamiento, el transistor conduce plenamente y se
comporta como un interruptor cerrado.
En la zona de saturación no se cumple la relación antes descrita entre IC y IB (IC ≠ β · IB). Se caracteriza
porque el valor de la tensión entre colector y emisor se mantiene fijo. En el caso de transistores de silicio, VCE
(SATURACIÓN) = 0’2 v.
Como VCE es un valor fijo, podemos obtener la corriente de colector a partir de la expresión:
VCC – VCE (SAT)
IC = ---------------------RC
Este valor de IC en saturación también será fijo, siendo la máxima corriente para dicha polarización.
En muchos circuitos electrónicos el circuito de polarización del transistor se diseña de forma que éste funcione
entre las zonas de corte y de saturación, a modo de interruptor, controlado a través de la corriente de base) o lo
que es lo mismo, de la tensión en la unión base-emisor).
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4. CURVAS CARACTERÍSTICAS DEL TRANSISTOR.
Al igual que en el caso del diodo, el comportamiento de un transistor se suele representar mediante un
conjunto de gráficas, que normalmente proporciona el fabricante del dispositivo. Estas gráficas reciben el
nombre de curvas características del transistor. Son de dos tipos:
-
Curvas características de entrada. Representa la corriente de base, I B, en función de VBE, para
distintos valores de VCE.. Dado que la unión base-emisor se comporta como un diodo, las
características de entrada son semejantes a las curvas de un diodo.
-
Curvas características de salida. Representan IC en función de VCE, para distintos valores de IB,
lo que supone incorporar una familia de curvas, tal y como aparece en la figura:
5. MÉTODO GRÁFICO PARA RESOLVER CIRCUITOS CON TRANSISTORES.
El funcionamiento de un transistor se puede
representar mediante sus curvas características. Las
curvas de salida de un transistor típico son muy útiles,
puesto que nos van a permitir calcular de forma sencilla
los valores IB; IC, IE, VBE y VCE, que configuran el
denominado punto de trabajo de un transistor.
Para calcular el punto de trabajo, el proceso es el siguiente:
1. Obtención de la corriente de base IB. El parámetro fundamental que va a condicionar el
funcionamiento del transistor es la corriente de base. Dicha corriente se puede calcular de la siguiente forma:
- Circuito de base:
VBB – VBE
IB = -------------------RB
VBB = VBE + IB · RB
2. Obtención de la corriente de colector IC. Se puede obtener de dos formas:
- A partir de la relación:
IC = β · I B
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- A partir de la gráfica que relaciona IC con la IB. Esta gráfica suele ser proporcionada por el fabricante
del transistor, y tiene la forma que aparece en la imagen siguiente. El valor obtenido I B se lleva a la
gráfica y a partir de ella se obtiene IC.
3. Obtención de la tensión colector-emisor VCE. La expresión:
VCE = VCC – IC · RC
Se conoce con el nombre de recta de carga.
Esta recta, dibujada sobre las curvas características de salida del transistor proporciona la posición del
punto de trabajo del dispositivo. Entonces, para dibujar la recta de carga basta conocer dos puntos de la misma;
lo más sencillo es buscar los puntos de corte con los ejes.
· Punto de corte con eje de abscisas (eje OX), para IC = 0;
VCE = VCC – 0
VCE = VCC
La recta corta al eje de abscisas en el punto (VCC , 0).
· Punto de corte con el eje de ordenadas (eje OY), para VCE = 0:
VCC
0 = VCC – IC · RC
IC = ---------RC
VCC
La recta corta al eje de ordenadas en el punto (0, ---------).
RC
Marcamos estos puntos en la gráfica y se dibuja la recta, tal y como se muestra en la figura:
El punto de corte Q de la recta de carga
con la curva característica correspondiente a la
corriente de base IB de trabajo (obtenida en el
apartado 1) es el punto de trabajo del transistor.
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6. ENCAPSULADOS DE LOS TRANSISTORES.
Los transistores necesitan un encapsulado que los proteja de las condiciones ambientales. Estos
encapsulados pueden ser metálicos, cerámicos o de plástico.
Cada modelo de transistor se encapsula en un determinado modelo de cápsula que permita conectar los
terminales del transistor al resto del circuito. Los encapsulados más habituales son los que se muestran a
continuación:
Cada transistor dispone de unas características diferentes con relación, fundamentalmente, a su
intensidad máxima por base y por colector, al valor del parámetro de ganancia β y a la potencia máxima que
podrá ser disipada por el transistor. Estos tres factores son los responsables de que se fabriquen transistores de
variadas dimensiones y formas atendiendo a sus características particulares.
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EJERCICIOS DEL TEMA 1. “ELECTRÓNICA I. TRANSISTOR”.
1.
2.
3.
4.
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7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
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15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
Explica ¿cómo es un transistor y cuáles son sus terminales?.
¿Qué tipos de transistores existen?.
¿Cómo se puede considerar que esta constituido un transistor?
¿Cuál es la función del terminal de base?.
Dibuja los dos esquemas de los transistores e indica la dirección de las corrientes en cada caso.
Indica el sentido y dirección de las corrientes eléctricas que hay en un transistor NPN, así como sus
tensiones o caídas de tensiones.
¿Qué es la polarización del transistor?. ¿Qué es el punto de trabajo del transistor y de qué depende el
punto de trabajo?.
¿Cuál es el circuito de polarización más sencillo de un transistor?
Si conectamos a un transistor tipo NPN dicho circuito de polarización ¿qué ocurre?, y si fuera un
transistor tipo PNP.
¿Qué es la configuración en emisor común?.
¿Cuál es la finalidad de la resistencia de base y de la resistencia de carga?
Teniendo en cuenta los dos circuitos: circuito base y circuito colector; si tomamos un transistor NPN
¿qué relaciones matemáticas existen?.
¿Cuál es el objetivo de utilizar un divisor de tensión o voltaje?. ¿Y qué valor de resistencia de base y
tensión de base VBB se puede utilizar?.
¿Qué ocurre si la corriente de base es nula o muy pequeña? ¿Y si alcanza el valor adecuado?.
Dependiendo de la magnitud de la corriente de base, que zona de funcionamiento del transistor se
pueden considerar?.
¿Qué ocurre en la zona de corte?
¿Qué ocurre en la zona activa?
¿Qué valor adquiere la corriente que circula por el colector en la zona activa?
¿Qué nombre recibe el factor β y qué expresa?.
¿Qué ocurre en la zona de saturación?.¿Qué ocurre con el valor de la tensión colector-emisor?
¿Qué ocurre con la corriente de colector?.
¿Cuáles son las curvas características del transistor y que se representan en las mismas?.
Un transistor NPN dispone de una pila de 4´5 v para polarizar el colector. El valor de corriente de
colector es de 10 mA y se ha conectado una resistencia en serie entre el terminal de colector y el polo
positivo de la pila. La resistencia de colector es de 100 Ω.Dibuja esta parte del circuito y calcula qué
diferencia de potencial hay entre el colector y el emisor.
24. El punto de trabajo de un transistor NPN corresponde a los valores de IC = 15 mA y VCE = 1 v cuando
por la base están circulando 0’5 mA de corriente.
a) ¿Qué valor tiene el parámetro β?.
b) ¿Qué valor debería tener la pila de polarización entre el colector y el emisor, si sólo se dispone de una
resistencia en serie entre el polo positivo de la pila y el terminal de colector del transistor cuyo valor es
de 1KΩ ?. Dibuja el circuito para contestar a la pregunta.
25. Suponiendo que el transistor de la figura trabaja en la zona activa, calcula la intensidad que se introduce
por la base del transistor, teniendo en cuenta que la diferencia de potencial en la unión base-emisor es
de 0’7 v.
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26. Contesta a las siguientes preguntas referentes al montaje y a las características del transistor de la figura,
suponiendo que el valor de tensión base-emisor es de 0’3 v.
a) Indica la expresión de la recta de carga con los valores del montaje.
b) Calcula la corriente que circula por la base.
c) Calcula el punto de trabajo (valores de IC y de VCE) si el valor del parámetro β es de 25.
27. Indica los distintos tipos de transistores vistos.
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