Electrónica – 5 EM – ITS Lorenzo Massa Unidad 4 - Ing. Juan Jesús Luna
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El transistor: Es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término «transistor» es la contracción en inglés de transfer resistor («resistencia de transferencia»). Actualmente se encuentran prácticamente en todos los aparatos electrónicos de uso diario: radios, televisores, reproductores de audio y video, relojes de cuarzo, computadoras, lámparas fluorescentes, tomógrafos, teléfonos celulares, etc.
El Transistor Bipolar de Unión o TBJ. tipo NPN
tipo PNP
El transistor bipolar (TBJ) es el más común de los transistores, y como los diodos, puede ser de germanio o silicio. Existen dos tipos TBJ: el NPN y el PNP, y la dirección del flujo de la corriente en cada caso, lo indica la flecha que se ve en el grafico de cada tipo de transistor. El transistor es un dispositivo de 3 patillas con los siguientes nombres: base (B), colector (C) y emisor (E), coincidiendo siempre, el emisor, con la patilla que tiene la flecha en el gráfico de transistor. Funcionamiento del Transistor: Para entender mejor este fenómeno, se analizara un ejemplo que podría llamarse “transistor hidráulico”. Por la tubería O llega presión de agua y puede seguir dos caminos: 1. Por C que no puede pasar ya que se lo impide el tapón.
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2. Por B que al estar cerrada la llave L tampoco puede pasar.
Por lo tanto por la tubería E no sale agua y se puede decir que el transistor está bloqueado. Si se abre un poco la llave L comienza a salir agua por el tubo B y ésta empuja la palanca que, unida al tapón, permite el paso de agua por la tubería C. Por la tubería E ahora sale el agua que pasa por C más el agua que pasa por B. Esta figura muestra como si se abre más la llave de paso L por la tubería B sale más agua y por lo tanto empuja mas fuerte a la palanca y abre completamente el paso por la tubería C.
Como se puede comprobar se dan tres situaciones: 1. Está totalmente cerrada: no circula agua. (Zona de Corte o Bloqueo) 2. Cuando esta algo abierta, pero no lo suficiente para que el tapón este abierto del todo: Se puede regular el caudal por C abriendo más o menos la llave L. (Zona Activa o de Amplificación) 3. Cuando se abre L lo suficiente para que este el tapón totalmente abierto y por C pasa prácticamente todo el caudal, ya que lo que pasa por B es despreciable frente a lo que pasa por C. (Zona de Saturación) Esto mismo es lo que se tiene en los transistores eléctricos, cambiando caudal de agua por corriente: 1. Por la base no se le suministra corriente: El transistor no deja conducir entre colector y emisor. (Zona de Corte o Bloqueo) 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 se le suministra a la base. (Zona Activa o de Amplificación) 3. Se le suministra suficiente corriente a la base para que circula la máxima 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. (Zona de Saturación) Cuando trabaja como interruptor el transistor trabaja en corte y en saturación (Electrónica Digital), mientras que cuando trabaja como amplificador trabaja con corrientes en la base menores para controlar la corriente entre colector y emisor (Electrónica Analógica).
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Estructura: Un Transistor Bipolar de Unión consiste de tres regiones semiconductoras dopadas: las regiones de emisor, de base y de colector. Estas regiones son, respectivamente, tipos P, N y P en un PNP, y tipo N, P, y N en un transistor NPN. Cada región del semiconductor está conectada a un terminal, denominado emisor (E), base (B) o colector (C), según corresponda.
El transistor de unión bipolar no es usualmente un dispositivo simétrico, esto significa que no se puede intercambiar colector y emisor. Pequeños cambios en la tensión aplicada entre los terminales base-emisor genera que la corriente que circula entre el emisor y el colector cambie significativamente. Este efecto puede ser utilizado para amplificar la tensión o corriente de entrada. Los TBJ son fuentes de corriente controladas por corriente. Los primeros transistores fueron fabricados de germanio, pero la mayoría de los TBJ modernos están compuestos de silicio. Actualmente, una pequeña parte de éstos (los transistores bipolares de heterojuntura) están hechos de arseniuro de galio, especialmente utilizados en aplicaciones de alta velocidad. Un transistor NPN puede ser considerado como dos diodos con la región del ánodo compartida. El transistor es un amplificador de corriente, esto quiere decir que si se le introduce una cantidad de corriente por una de sus patillas (base), el entregará por otra (emisor), una cantidad mayor a ésta, en un factor β que se llama amplificación (β es un dato propio de cada transistor). Entonces: Ic (corriente que pasa por la patilla colector) es igual a β (factor de amplificación) por Ib (corriente que pasa por la patilla base). Ic = β * Ib Ie (corriente que pasa por la patilla emisor) es del mismo valor que Ic, sólo que, la corriente en un caso entra al transistor y en el otro caso sale de el, o viceversa. Identificación de los Terminales: Con un óhmetro, y teniendo cuidado que sus terminales coincidan con la polaridad de la batería, se efectúa lo siguiente: a. Se enumeran las patitas al azar (Ver fig. 1). b. Se coloca el óhmetro tal como se indica en la Fig. 2, Fig. 3 y Fig. 4, hasta obtener dos lecturas de baja resistencia con un punto común tal como señalan las figuras 2 y 4, en donde el punto común es el contacto número 2. En caso de no obtener las dos lecturas de baja resistencia, intercambie la punta de prueba y repita las mediciones indicadas en las figuras 2, 3 y 4. El contacto común (en este caso la patita 2) viene a ser la base del transistor. Para ubicar el contacto del colector, de las dos lecturas de baja resistencia se selecciona la menor. La diferencia es de solamente unos ohmios, en algunos casos son decimos de ohmios. Suponga que la figura 2 tenga una resistencia mucho menor que la figura 4, en este caso el Colector es el contacto número 1. El contacto restante (o sea la patita numero 3) será la conexión de Emisor. Si el transistor posee cuatro patitas, generalmente una de ellas hace contacto con el recubrimiento metálico del transistor (contacto de masa). Esta patita se descarta y se considera únicamente las restantes.
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Características eléctricas del transistor bipolar Transistor NPN
En principio se necesitan conocer 3 tensiones y 3 corrientes:
y
.
En la práctica basta con conocer solo 2 corrientes y 2 tensiones. Normalmente se trabaja con Por supuesto que las otras 2 pueden obtenerse fácilmente:
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Entre Base y Emisor el transistor se comporta como un diodo. La característica de este diodo depende de Vce pero la variación es pequeña.
La corriente que circula por el Colector se controla mediante la corriente de Base Linealización de la característica de salida:
El parámetro fundamental que describe la característica de salida del transistor es la ganancia de corriente β. Linealización de la característica de entrada: La característica de entrada corresponde a la de un diodo.
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Zonas de funcionamiento del transistor ideal:
El Transistor como Llave Lógica. Suponga que se necesita hacer un circuito para encender y apagar una lámpara de 12V y 36W, se podría usar el siguiente circuito:
Si se sustituye el interruptor principal por un transistor queda:
La corriente de Base debe ser suficiente para asegurar la Zona de Saturación. Ventajas: - No hay desgaste. - No hay chispa. - Se puede trabajar con mayor rapidez. - Se puede controlar desde un sistema lógico como puede ser una computadora.
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Especificaciones Técnicas: Son datos que debe proporcionar el fabricante.
Polarización: Polarizar un transistor significa conseguir que las corrientes y tensiones continuas que aparecen en el mismo queden fijadas a unos valores convenientes previamente decididos. Es posible polarizar el transistor en zona activa, en saturación o en corte, cambiando las tensiones y componentes del circuito en el que se engloba. El TBJ se emplea en numerosas aplicaciones, y en infinidad de circuitos diferentes, en cada uno de ellos se lo polariza de forma determinada. El TBJ como amplificador: El comportamiento del transistor se puede ver como dos diodos, uno entre base y emisor, polarizado en directo (0,6 a 0,8 V para un transistor de silicio) y otro diodo entre base y colector, polarizado en inverso (unos 0,4 V para el germanio). En el colector se tiene una corriente proporcional a la corriente de base: IC = β IB, es decir, ganancia de corriente cuando β > 1. Para transistores normales de señal, β varía entre 100 y 300. Al transistor se lo puede montar en emisor común (EC), base común (BC) o colector común (CC). Cada una de estas configuraciones posee ventajas y desventajas una respecto de las otras, siendo la de emisor común la más recurrida a la vez que es la de mejor respuesta en la mayor parte de las aplicaciones. Datos básicos del transistor (los que hay que mirar). Hay transistores de muy diversas formas y capacidades técnicas (no todos los transistores valen para todo, algunos son más apropiados para señales de audio, otros para controlar motores, etc.), todos ellos tienen en común una serie de parámetros básicos, los cuales hay que tener en cuenta a la hora de usar el transistor, ya que si son muy distintos uno de otro puede quemarse o no funcionar apropiadamente. Los datos básicos vienen definidos en un documento que da el fabricante y que se encuentra muy fácilmente por Internet, el Datasheet (algunos le dicen Dataset), para el ejemplo se usará el transistor de media potencia BC547, realmente da lo mismo que fabricante sea el que hizo el transistor pues el Datasheet sirve igualmente para el de otro fabricante siempre que tenga el mismo número de modelo.
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Valores máximos que soporta el transistor. Primera página del Datasheet de un transistor BC 547 C: Arriba del todo a modo de título se puede encontrar los modelos de transistores para los que sirve este Datasheet, además a la izquierda indica que tipo de transistor es (NPN o PNP). A la derecha se puede ver la correspondencia de los pines con la función que desempeña cada uno, esta correspondencia es común para todos los transistores NPN que compartan el mismo encapsulado, así que por ejemplo si tienes que cambiar uno y no encuentras el mismo puedes poner otro de la misma familia y encajara perfectamente. A la izquierda se puede ver que el fabricante indica otros transistores más apropiados para otras tareas para las que están más preparados que este. Los datos más importantes a la hora de decidir si sirve este transistor o no para lo que se quiere usar están en el apartado primero de casi todos los Datasheet “Absolute Maximum Ratings” o “Valores Máximos”. Fijarse que hay características que difieren de un modelo a otro estos se marcan con la numeración del transistor seguido del valor que difiere de uno a otro. Explicación de cada punto: Vcbo: Máxima tensión que soporta entre el Colector y la base, se aprecia que el modelo escogido, el BC 547, solo soporta 50 Voltios de diferencia entre el Colector y la Base, así que no se debe usar una fuente de alimentación de más de 50 Voltios, sino se quema. Vceo: Máximo voltaje entre Colector y Emisor, como en el caso anterior, limita el voltaje de alimentación del circuito.
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Vebo: Máxima tensión entre Base y Emisor, si cuando se polariza el transistor se excede los 6 voltios se quemara la base y nunca más funcionara, el no exceder los 6 voltios tampoco es garantía de que no se queme, si se supera la intensidad máxima de base se quema también. Ic: Corriente que es capaz de soportar el transistor en su parte de fuerza, esto es entre Colector y Emisor. Pc: Potencia nominal que disipa el transistor, aquí dice 500 mW, se calcula de la siguiente manera: Potencia disipada = Voltaje entre Colector-Emisor * Intensidad de Colector. Tj: Temperatura que soporta el núcleo del transistor. Con estos datos se puede saber si un determinado transistor sirve o no sirve para un propósito específico. Características Eléctricas
Explicación de cada punto: Icbo: Es la corriente máxima que va a circular el transistor cuando este en estado de corte (presenta la máxima resistencia entre Colector y Emisor, alrededor cientos de mega ohmios); pero aun así algo de corriente puede circular y este es el parámetro donde se lo indica, según el fabricante aplicando una tensión de 30 voltios entre colector y base circularan tan solo 15 nano Amperios, aplicando ley de ohm y sabiendo que V=30, I= 0,000000015, resulta un R=2000000000 Ohmios. Hfe ó Beta: En otros manuales y libros puede venir como Beta del transistor, es el parámetro que relaciona la corriente de colector y la corriente de base, el fabricante nos da el valor máximo (800) y el mínimo (110), ¿Por qué dan valores aproximados y además tan lejanos uno de otro?, pues por que por el proceso de fabricación cada uno puede tener una diferencia con otros de la misma tirada y tipo, el fabricante garantiza el mínimo, y ese es el que se usará para los cálculos.
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Vce (sat): Tensión entre colector y emisor cuando está en saturación (Mínima resistencia entre Colector y Emisor), va a producir una caída de voltaje de como máximo 250 mV, que apenas afecta a nada, despreciable. Vbe (sat): Tensión de saturación del transistor, es la tensión que hay que aplicar a la base para que se sature, si se aplica menos realmente no estará trabajando en saturación sino en la región activa lineal, además el fabricante dice que debe circular la base un total de 0.5 mA para que este en saturación. Vbe (on): tensión a aplicar para que trabaje en la región activa lineal, es la tensión para “enceder” el transistor pero que no llevara a este a la saturación sino que lo dejara en el modo “potenciómetro controlable”. Ejemplo: Se desea determinar si los componentes del siguiente circuito están correctamente diseñados:
De todos estos parámetros lo que vamos a usar el siguiente: Vbe (sat): Tensión y corriente para saturar el transistor, en este caso 0,7 voltios y 0,5 mA. En paralelo con la carga “load” se encuentra un diodo que en estado normal estaría polarizado a la inversa, este diodo tiene una función que se comentará brevemente. Imaginarse que la carga “load” es una carga de tipo inductivo (la bobina de un relé es inductiva ya que genera campo magnético cuando se lo activa y este campo atrae un trozo de metal que cierra los contactos) mientras se le está aplicando corriente no hay problema, se genera el campo magnético y se cierra el contacto del relé, pero cuando se desactiva el relé se corta la corriente y el campo magnético generado en la bobina se “desmorona” y genera un fenómeno de autoinducción que puede dar lugar a un voltaje excesivo para el transistor, al poner el diodo se asegura que si se genera este voltaje fluirá desde el ánodo del diodo al cátodo y de ahí a la fuente de tensión de 10 VDC, ya que para polarizar el diodo esta tensión debe ser 0,7 VDC superior que 10 Voltios, y si es superior fluirá hacia allí. La base del transistor tiene una resistencia de 1K Ohm, entre la salida del microprocesador y la entrada de la base, esta resistencia se llama resistencia de base y se usa para limitar la tensión y corriente que llega a la base, todos los circuitos que necesiten usar un transistor tienen por fuerza que tener una resistencia de base. Para saturar el transistor se necesita: Tensión = 0,7 Voltios, según fabricante. Intensidad = 0,0005 Amperios. Ley de Ohm = V / I
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Resistencia de base = (5 voltios del integrado) – (0,7 voltios que deben llegar al transistor) / 0,0005 Amperios de corriente que lo debe circular Resultado = 8600 Ohm Y con esta resistencia entre la base y el procesador cuando el micro active su salida a 5 Voltios al transistor le llegaran 0,7 voltios con una intensidad de 0,5 mA, lo que es necesario para entrar en saturación. Código de Identificación: Los tres esquemas estándar de nomenclatura en los transistores son: 1. Joint Electron Device Engineering Council (JEDEC): Éstos toman la forma: Dígito
Letra
Número de serie
[Sufijo]
El primer dígito es uno menor al número de terminales; excepto para el caso de "4N" y "5N", que están reservados para optoacopladores. La letra es siempre 'N'. El número de serie va desde '100' hasta '9999' y no dice algo específico acerca del transistor, excepto su tiempo aproximado de introducción. El sufijo (opcional) indica el grupo de ganancia (β o hfe) a la que pertenece el dispositivo: A = ganancia baja B = ganancia media C = ganancia alta Sin sufijo = no agrupado (cualquier ganancia). La razón para el agrupamiento de ganancias es que los dispositivos de baja ganancia son ligeramente más baratos que los dispositivos de ganancia alta, resultando en un ahorro para los usuarios al mayoreo. Ejemplos: 2N3819, 2N2221A, 2N904. 2. Japanese Industrial Standard (JIS). Éstos toman la forma de: Dígito
Dos Letras
Número de serie
[Sufijo]
De nuevo, el dígito es uno menos que el número de terminales. Las letras indican el área de aplicación y el "sabor" del dispositivo de acuerdo al siguiente código: SA SD SG SK SR SV
Transistor PNP HF Transistor NPN AF Dispositivos Gunn FET/MOSFET canal N Rectificador Varicaps
SB SE SH SM SS SZ
Transistor PNP AF Diodos UJT (Unijuntura) Triac Diodos de señal Diodos zener
SC SF SJ SQ ST
Transistor NPN HF Tiristores FET/MOSFET canal P LED Diodos de avalancha
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El número de serie puede ir desde 10 hasta 9999. El sufijo (opcional) indica que el tipo está aprobado por varias organizaciones Japonesas. NOTA: Debido a que el código de transistores siempre empieza con 2S, algunas veces (y ahora cada vez más usual) éstos son omitidos, así por ejemplo, un transistor 2SC733 podría estar marcado como C 733. Ejemplos: 2SA1187, 2SB646, 2SC733. 3. Pro-electron. Éstos toman la forma de: Dos Letras
[Letra]
Número de serie
[Sufijo]
La primera letra indica el material: A = Ge B = Si C = GaAs R = Materiales compuestos. Sobra decir que la gran mayoría de los transistores empiezan con una B. La segunda letra indica la aplicación del dispositivo: A C E K N Q T Y
Diodo de RF Transistor AF, pequeña señal Diodo túnel Dispositivo de efecto Hall Optoacoplador Dispositivo emisor de radiación Tiristor, potencia Rectificador
B D F L P R U Z
Variac Transistor AF, de potencia Transistor, HF, pequeña señal Transistor, HF, de potencia Dispositivo sensible a la radiación Tiristor, baja potencia Tiristor, potencia interruptor Zener o diodo regulador de voltaje
La tercera letra indica que el dispositivo está pensado para aplicaciones industriales ó profesionales preferentemente que de las aplicaciones comerciales. Ésta letra es usualmente una W, X, Y ó Z. El número de serie puede ir desde 100 hasta 9999. El sufijo indica el agrupamiento de ganancia como en el caso de la nomenclatura JEDEC. Ejemplos: BC108A, BAW68, BF239, BFY51. Aparte de las nomenclaturas JEDEC, JIS y Pro-electron, otros fabricantes por lo regular introducen sus propios tipos, por razones comerciales (por ejemplo para tener su nombre dentro del código) o para enfatizar que el rango pertenece a una aplicación especial.
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Los prefijos comunes específicos de marcas son: MJ
Motorola de potencia, encapsulado de metal MPS Motorola de baja potencia, encapsulado de plástico RCA RCA TIP Transistor de potencia Texas Instruments (encapsulado plástico) TIS Transistor TI de señal pequeña (encapsulado plástico) ZTX Ferranti
MJE
Motorola de potencia, encapsulado de plástico MRF Transistor Motorola HF, VHF y microondas RCS RCS TIPL Transistor TI plano de potencia ZT
Ferranti
Ejemplos: ZTX302, TIP31A, MJE3055, TIS43. Algunos fabricantes también crean partes diseñadas para uso de gran volumen. Estas partes son optimizadas para utilizarse en una parte específica de un circuito dado. Los fabricantes usualmente colocan en ellos el logotipo de su empresa y un número imposible de rastrear ni encontrar las especificaciones de estos dispositivos, por lo que resultan más apropiados como controladores de LED's, buffers, etc., donde los parámetros reales no son importantes. Encapsulados: Los componentes electrónicos como ser transistores, tiristores, triacs, etc. necesitan tener cierta robustez al uso, esto se logra envolviendo o sumergiéndolo en algún material resistente como pueden ser el plástico o la cerámica. Esta “envoltura” es lo que se conoce como encapsulado y provee al semiconductor la rigidez necesaria y el debido aislamiento del medio ambiente, además de permitir la sujeción del mismo; el encapsulado también debe ayudar a “radiar” el calor generado internamente cuando se encuentran en operación. Los encapsulados varían en función al tamaño del propio circuito que se encuentra incrustado y la cantidad de energía que maneja (con su correspondiente generación de calor). A mayor potencia, mayor tamaño. A continuación se describen algunos tipos de encapsulados comunes: TO-92: Es de plástico, se usa para transistores de pequeña señal; su aspecto y sus dimensiones se muestran en los siguientes gráficos (La asignación de los pines de Base, Colector y Emisor no se encuentra estandarizada por lo que es necesario recurrir a manuales de reemplazo para conocerla):
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TO-18: También para transistores de pequeña señal, un poco más grande que TO-92, es metálico, la carcasa tiene una saliente que indica que el pin más cercano es el Emisor.
En las siguientes figuras se muestran algunos encapsulados típicos:
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Circuitos Multietapas: Se llama así a todo circuito electrónico que dispone de mas de una etapa básica trabajando en conjunto con otra/s para conseguir un determinado resultado; normalmente estas etapas van conectadas en cascada; algunas trabajan en forma digital y otras en forma analógica. Ejemplo Digital: Detector de Humedad:
El Fototransistor: La luz (fotones de una cierta longitud de onda) al incidir en la zona de base desempeña el papel de corriente de base.
El terminal de base puede estar presente o no. No confundir con Fotodiodo. Optoacoplador: Es un conjunto LED + Fototransistor
Objetivo: Proporcionar aislamiento galvánico y protección eléctrica Uso: Detección de obstáculos Osciladores con Transistores: Un Oscilador es un circuito que genera una señal periódica a la salida sin tener ninguna entrada. Los osciladores se clasifican en armónicos, cuando la salida es sinusoidal, o de relajación, si generan una onda cuadrada. Un oscilador a cristal es un oscilador armónico cuya frecuencia está determinada por un cristal de cuarzo o una cerámica piezoeléctrica. Los sistemas de comunicación suelen emplear osciladores armónicos, normalmente controlados por cristal, como oscilador de referencia. Pero también osciladores de frecuencia variable. La frecuencia se puede ajustar mecánicamente (condensadores o bobinas de valor ajustable) o aplicando tensión a un elemento, estos últimos se conocen como osciladores controlados por tensión o VCO, es decir, osciladores cuya frecuencia de oscilación depende del valor de una
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tensión de control. Y también es posible hallar osciladores a cristal controlados por tensión o VCXO. Parámetros del oscilador: – Frecuencia: Es la frecuencia del modo fundamental. – Margen de sintonía (para los de frecuencia ajustable): Es el rango de ajuste. – Potencia de salida y rendimiento: El rendimiento es el cociente entre la potencia de la señal de salida y la potencia de alimentación que consume. – Nivel de armónicos: Potencia del armónico referida a la potencia del fundamental, en dB. – Pulling: Variación de frecuencia del oscilador al variar la carga. – Pushing: Variación de frecuencia del oscilador al variar la tensión de alimentación. – Deriva con la temperatura: Variación de frecuencia del oscilador al variar la temperatura. – Ruido de fase o derivas instantáneas de la frecuencia. – Estabilidad de la frecuencia a largo plazo, durante la vida del oscilador. Criterio de oscilación: Para hallar el criterio de oscilación se puede asimilar el oscilador a un circuito con realimentación positiva, como el que se muestra en la siguiente figura xi y xo son las señales de entrada y salida, mientras que xr y xe son, respectivamente, la señal de realimentación y la señal de error.
Diagrama de bloques de un circuito lineal con realimentación positiva A es la ganancia del amplificador inicial, o ganancia en lazo abierto, β es el factor de realimentación y Aβ es la ganancia de lazo. Todos son números complejos cuyo módulo y fase varían con la frecuencia angular, ω. La ganancia del circuito realimentado es:
Osciladores Colpitts y Hartley: Son dos esquemas clásicos de oscilador con un único elemento activo, que puede ser un TBJ o un MOSFET. Los circuitos equivalentes para c.a. de las versiones con TBJ están representados en la siguiente figura (Notar que en ambas configuraciones no se consideraron las resistencias de polarización del transistor):
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El Colpitts emplea dos condensadores y una bobina en la red de realimentación, mientras que el Hartley emplea dos bobinas y un condensador; el análisis completo de estos circuitos esta fuera del alcance del curso. El Transistor de Efecto de Campo o FET (Field Effect Transistor): Los transistores más conocidos son los bipolares (NPN y PNP), llamados así porque la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones pero tienen ciertos inconvenientes, entre los que se encuentra su impedancia de entrada bastante baja. Existen unos dispositivos que eliminan este inconveniente en particular y que pertenece a la familia de dispositivos en los que existe un solo tipo de portador de cargas, y por tanto, son unipolares. Se llama Transistor de Efecto de Campo o FET. FET es una familia de transistores que se basan en el campo eléctrico para controlar la conductividad de un "canal" en un material semiconductor. Los FET pueden plantearse como resistencias controladas por tensión. El JFET (Junction Field-Effect Transistor): Un JFET típico está formado por una barrita de material p ó n, llamada canal, rodeada en parte de su longitud por un collar del otro tipo de material que forma con el canal una unión p-n. En los extremos del canal se hacen sendas conexiones óhmicas llamadas respectivamente sumidero o drenaje (D-Drain) y fuente (S-Source), más una conexión llamada puerta (g-Gate) en el collar.
Croquis de un JFET con canal N
Símbolos gráficos para un JFET de canal N
Símbolos gráficos para un JFET de canal P
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Polarización: JFET de Canal N:
Explicación de la combinación de portadores en el JFET de Canal N: Puesto que hay una tensión positiva entre Drain y Source, los electrones fluirán desde Source a Drain, aunque hay que notar que también fluye una corriente despreciable entre Source y Gate, ya que el diodo formado por la unión Canal N – Gate, esta polarizado inversamente (Gate es el terminal equivalente a la Base del TBJ). Notar que mediante la tensión Vgs se puede controlar el ancho del canal y por lo tanto la corriente que fluye desde Drain a Source. Cuando se selecciona un transistor se tiene que conocer el tipo de encapsulado, el esquema de identificación de los terminales y una serie de valores máximos de tensiones, corrientes y potencias que no se deben sobrepasar para no destruir el dispositivo. El parámetro de la potencia disipada por el transistor es especialmente crítico con la temperatura, de modo que esta potencia decrece a medida que aumenta el valor de la temperatura, siendo a veces necesaria la instalación de un radiador, disipador o aleta refrigeradora. Todos estos valores críticos los proporcionan los fabricantes en las hojas de características de los distintos dispositivos. Las uniones Gate-Drain y Source-Gate están polarizadas en inversa de tal forma que no existe otra corriente que la inversa de saturación de la unión PN, por lo tanto la corriente que toma Gate es muy pequeña (puede despreciarse), lo que indica que es un dispositivo de muy alta impedancia de entrada. La zona N (en el JFET Canal N) es pequeña y la amplitud de la zona de deplexión afecta el ancho efectivo del canal. La longitud de la zona de deplexión y depende de la tensión inversa (tensión de Gate). Zonas de funcionamiento del JFET: Zona Óhmica o Lineal: En esta zona el transistor se comporta como una resistencia variable dependiente del valor de VGS. Un parámetro que aporta el fabricante es la resistencia que presenta el dispositivo para VDS=0 (rds on), y distintos valores de VGS. Zona de Saturación: En esta zona es donde el transistor amplifica y se comporta como una fuente de corriente gobernada por VGS. Zona de Corte: La corriente de Drain es nula (ID=0).
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Siempre va a interesar estar en la región de saturación, para que la única variable que controle la cantidad de corriente que pase por Drain sea la tensión de Gate de la siguiente forma: Id = Gm Vgs El parámetro Gm se le denomina Transconductancia (Seria un equivalente al Beta de un TBJ). A diferencia del transistor TBJ, los terminales Drain y Source del JFET pueden intercambiar sus papeles sin que se altere apreciablemente la característica V-I (se trata de un dispositivo simétrico).
Las explicaciones que se den para el JFET de Canal N son similares pero opuestas a las correspondientes al JFET de Canal P. La operación de un JFET de CANAL P es complementaria a la de un JFET de CANAL N, lo que significa que todos los voltajes y corrientes son de sentido contrario.
El JFET se comporta como un interruptor controlado por tensión, donde el voltaje aplicado a Gate permite hacer que fluya o no corriente entre Drain y Source. Así como los transistores bipolares se dividen en NPN y PNP, los de efecto de campo o FET son también de dos tipos: Canal N y Canal P, dependiendo de si la aplicación de una tensión positiva en la puerta pone al transistor en estado de conducción o no conducción, respectivamente. Encapsulado e identificación de sus terminales: La fabricación de varios de estos dispositivos conectados en diversas configuraciones en una misma oblea de silicio, permitió crear los circuitos integrados o chips, base de todos los aparatos electrónicos modernos. Conectados de manera apropiada, permite amplificar señales muy débiles, convertir energía, encender o apagar sistemas de elevada potencia, crear osciladores desde frecuencias bajas hasta frecuencias de radio, etc. Los FET de Canal N y de Canal P conectados en disposiciones circuitales apropiadas permiten crear una enorme cantidad de circuitos para diversos fines, ya que se complementan pues funcionan con sentidos opuestos de circulación de corriente. Precauciones: Con los transistores FET hay que tener cuidados especiales, pues algunas referencias se dañan con solo tocar sus terminales desconectadas (Estática). Por tal motivo, cuando son nuevos traen sus patas en corto-circuito mediante una espuma conductora eléctrica o con algo metálico, esto no se debe quitar hasta que estén soldados a la placa de circuito impreso, hecho esto ya no hay problema. Características: - Tiene una resistencia de entrada extremadamente alta (casi 100MΩ). - No tiene un voltaje de unión cuando se utiliza como conmutador (interruptor). - Hasta cierto punto es inmune a la radiación. - Es menos ruidoso que el TBJ. - Puede operarse para proporcionar una mayor estabilidad térmica.
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Entre las principales aplicaciones de este dispositivo podemos destacar: Aplicación
Principal Ventaja
Usos
Aislador o separador (buffer)
Impedancia de entrada alta Uso general, equipo de medida, y de salida baja receptores Sintonizadores de FM, equipo para Amplificador de RF Bajo ruido comunicaciones Baja distorsión de Receptores de FM y TV, equipos Mezclador intermodulación para comunicaciones Amplificador con Facilidad para controlar Receptores, generadores de señales CAG ganancia Instrumentos de medición, equipos Amplificador cascodo Baja capacidad de entrada de prueba Amplificadores de cc, sistemas de Troceador Ausencia de deriva control de dirección Amplificadores operacionales, Resistor variable por Se controla por voltaje órganos electrónicos, controles de voltaje tono Amplificador de baja Capacidad pequeña de Audífonos para sordera, frecuencia acoplamiento transductores inductivos Mínima variación de Generadores de frecuencia patrón, Oscilador frecuencia receptores Integración en gran escala, Circuito MOS digital Pequeño tamaño computadores, memorias Tipos de FET: Aparte del JFET, existen otras disposiciones para dispositivos que pertenecen a la misma familia: - MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor) usa un aislante (normalmente SiO2). - MESFET (Metal-Semiconductor Field Effect Transistor) substituye la unión PN del JFET con una barrera Schottky. - HEMT (High Electron Mobility Transistor), también denominado HFET (heterostructure FET), la banda de material dopada con "huecos" forma el aislante entre la puerta y el cuerpo del transistor. - MODFET (Modulation-Doped Field Effect Transistor) - IGBT (Insulated-gate bipolar transistor) es un dispositivo para control de potencia. Son comúnmente usados cuando el rango de voltaje drenaje-fuente está entre los 200 a 3000V. Aun así los Power MOSFET todavía son los dispositivos más utilizados en el rango de tensiones drenaje-fuente de 1 a 200V. - FREDFET es un FET especializado diseñado para otorgar una recuperación ultra rápida del transistor. - DNAFET es un tipo especializado de FET que actúa como biosensor, usando una puerta fabricada de moléculas de ADN de una cadena para detectar cadenas de ADN iguales.
Electrónica – 5 EM – ITS Lorenzo Massa Unidad 4 - Ing. Juan Jesús Luna
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MOSFET
Estructura del MOSFET en donde se muestran las terminales de Gate (G), Sustrato (B), Source (S) y Drain (D). Gate está separada del cuerpo por medio de una capa de aislante (blanco).
Dos MOSFETs de potencia con encapsulado TO-263 de montaje superficial. Cuando operan como interruptores, cada uno de estos componentes puede mantener una tensión de bloqueo de 120 V en el estado apagado, y pueden conducir una corriente continua de 30 A en el estado encendido, disipando alrededor de 100 vatios de potencia y controlando cargas de alrededor de 2000 watts. Un fósforo se muestra como referencia de escala. El FET Metal-Oxido-Semiconductor o MOSFET (en inglés Metal-oxide-semiconductor Fieldeffect transistor) es un transistor utilizado para amplificar o conmutar señales electrónicas. Aunque el MOSFET es un dispositivo de cuatro terminales llamadas Source (S), Drain (D), Gate (G) y Sustrato (B), el sustrato generalmente está conectado internamente a la terminal de Source, y por este motivo se pueden encontrar dispositivos de tres terminales similares a otros FET. En los MOSFET, Gate no absorbe corriente en absoluto, frente a los BJT, donde la corriente que atraviesa la base, pese a ser pequeña en comparación con la que circula por los otros terminales, no siempre puede ser despreciada. Los MOSFET, además, presentan un comportamiento capacitivo muy acusado que hay que tener en cuenta para el análisis y diseño de circuitos. Es el transistor más utilizado en la industria microelectrónica, ya sea en circuitos analógicos o digitales, aunque el TBJ fue mucho más popular en otro tiempo. Prácticamente la totalidad de los microprocesadores comerciales están basados en transistores MOSFET. El término 'metal' en el nombre de los transistores MOSFET es actualmente incorrecto debido a que el material de la compuerta, que antes era metálico, ahora se construye con una capa de silicio policristalino. De manera similar, el 'óxido' utilizado como aislante en la compuerta también se ha reemplazado por otros materiales con el propósito de obtener canales fuertes con la aplicación de tensiones más pequeñas. Otro dispositivo relacionado es el MISFET, que es un transistor de efecto de campo metalaislante-semiconductor (Metal-insulator-semiconductor field-effect transistor). Adicionalmente, el método de acoplar dos MOSFET complementarios (de canal N y canal P) en un interruptor de estado alto/bajo, conocido como CMOS, implicó que los circuitos digitales disiparan una cantidad muy baja de potencia, excepto cuando son conmutados. Los MOSFET se han convertido en el dispositivo utilizado más ampliamente en la construcción de circuitos integrados.
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Símbolos de circuito: Existen distintos símbolos que se utilizan para representar el MOSFET. El diseño básico consiste en una línea recta para dibujar el canal, con líneas que salen del canal en ángulo recto y luego hacia afuera del dibujo de forma paralela al canal, para dibujar el Source y el Drain. En algunos casos, se utiliza una línea segmentada en tres partes para el canal del MOSFET de enriquecimiento, y una línea sólida para el canal del MOSFET de empobrecimiento. Otra línea es dibujada en forma paralela al canal para destacar el Gate. En esta figura se tiene una comparación entre los símbolos de los MOSFET de enriquecimiento y de empobrecimiento, junto con los símbolos para los JFET (dibujados con el Source y el Drain ordenados de modo que las tensiones más elevadas aparecen en la parte superior de la página).
Canal P
Canal N
JFET
MOSFET Enriq.
MOSFET Enriq. (sin sustrato)
MOSFET Empob.
Aplicaciones: La forma más habitual de emplear transistores MOSFET es en circuitos de tipo CMOS, consistentes en el uso de transistores pMOS y nMOS complementarios. Las aplicaciones de MOSFET discretos más comunes son: - Resistencia controlada por tensión. - Circuitos de conmutación de potencia (HEXFET, FREDFET, etc). - Mezcladores de frecuencia, con MOSFET de doble puerta. Ventajas: La principal aplicación de los MOSFET está en los circuitos integrados, PMOS, NMOS y CMOS, debido a varias ventajas sobre los transistores bipolares: - Consumo en modo estático muy bajo. - Tamaño muy inferior al transistor bipolar (actualmente del orden de media micra). - Gran capacidad de integración debido a su reducido tamaño, permite la miniaturización y la Portabilidad de los equipos fabricados con esta tecnología. - Funcionamiento por tensión, son controlados por voltaje por lo que tienen una impedancia de entrada muy alta. La intensidad que circula por la puerta es del orden de los nA. - Los circuitos digitales realizados con MOSFET no necesitan resistencias, con el ahorro de superficie que conlleva. - La velocidad de conmutación es muy alta, siendo del orden de los nanosegundos. Cada vez se encuentran más en aplicaciones en los convertidores de alta frecuencias y baja potencia.
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Transistor IGBT:
Símbolo más extendido del IGBT: Gate o puerta (G), colector (C) y emisor (E). El transistor bipolar de puerta aislada (IGBT, del inglés Insulated Gate Bipolar Transistor) es un dispositivo semiconductor que generalmente se aplica como interruptor controlado en circuitos de electrónica de potencia. Este dispositivo posee la características de las señales de puerta de los FET con la capacidad de alta corriente y bajo voltaje de saturación del TBJ, combinando una puerta aislada FET para la entrada de control y un transistor bipolar como interruptor en un solo dispositivo. El circuito de excitación del IGBT es como el del MOSFET, mientras que las características de conducción son como las del TBJ. Los transistores IGBT han permitido desarrollos que no habían sido viables hasta su aparición, en particular en los Variadores de Frecuencia así como en las aplicaciones en maquinas eléctricas y convertidores de potencia en general. El IGBT es adecuado para velocidades de conmutación de hasta 20 kHz y ha sustituido al TBJ en muchas aplicaciones. Es usado en aplicaciones de alta y media energía como fuente conmutada, control de la tracción en motores y hornos microondas. Grandes módulos de IGBT consisten en muchos dispositivos colocados en paralelo que pueden manejar altas corrientes del orden de cientos de amperios con voltajes de bloqueo de 6.000 voltios. Se puede concebir el IGBT como un transistor Darlington híbrido. Sin embargo las corrientes transitorias de conmutación de la base pueden ser igualmente altas. En aplicaciones de electrónica de potencia es intermedio entre los tiristores y los mosfet. Maneja más potencia que los segundos siendo más lento que ellos y lo inverso respecto a los primeros.
Circuito equivalente de un IGBT Este es un dispositivo para la conmutación en sistemas de alta tensión. La tensión de control de puerta es de unos 15 V. Esto ofrece la ventaja de controlar sistemas de potencia aplicando una señal eléctrica de entrada muy débil en Gate. Los IGBT son una nueva tecnología que superará a los MOSFET por encima de los 300 Volts y los 100 Amperes.
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Aspecto de un IGBT con sus indicaciones de conexión
