El
transistor, inventado en 1951, es el componente electrónico estrella, pues
inició una auténtica revolución en la electrónica que ha superado cualquier
previsión inicial. También se llama Transistor Bipolar o Transistor
Electrónico.
El Transistor es un componente electrónico formado por materiales semiconductores, de uso muy habitual, pues
lo encontramos presente en cualquiera de los aparatos de uso cotidiano como las
radios, alarmas, automóviles, ordenadores, etc.
Vienen a sustituir a las antiguas válvulas
termoiónicas de hace unas décadas. Gracias a ellos fue posible la construcción
de receptores de radio portátiles llamados comúnmente "transistores",
televisores que se encendían en un par de segundos, televisores en color, etc.
Antes de aparecer los transistores, los aparatos a válvulas tenían que trabajar
con tensiones bastante altas, tardaban más de 30 segundos en empezar a
funcionar, y en ningún caso podían funcionar a pilas debido al gran consumo que
tenían.
Los transistores son unos elementos que han facilitado, en gran medida, el diseño
de circuitos electrónicos de reducido tamaño, gran versatilidad y facilidad
de control.
En la imagen siguiente vemos a la izquierda un transistor real y a
la derecha el símbolo usado en los circuitos electrónicos. Fíjate que siempre
tienen 3 patillas y se llaman emisor, base y colector. Es muy
importante saber identificar bien las 3 patillas a la hora de conectarlo. En el
caso de la figura, la 1 sería el emisor, la 2 el colector y la 3 la base.
Un transistor es un componente que tiene, básicamente, dos
funciones:
- 1. Deja pasar o corta señales eléctricas a partir de una PEQUEÑA
señal de mando. Como Interruptor. Abre o cierra para cortar o dejar
pasar la corriente por el circuito.
- 2. Funciona como un elemento Amplificador de
señales. Le llega una señal pequeña que se convierte en una grande.
Pero el Transistor también puede cumplir funciones de
amplificador, oscilador, conmutador o rectificador.
Veamos cómo funciona un transistor.
Funcionamiento del Transistor
Un transistor puede tener 3 estados posibles en
su trabajo dentro de un circuito:
- En activa : deja pasar más o menos corriente.
- En corte: no deja pasar la corriente.
- En saturación: deja pasar toda la corriente.
Para comprender estos 3 estados lo vamos hacer mediante un símil
hidráulico que es más fácil de entender.
Lo primero imaginemos que el transistor es una llave de agua como
la de la figura. Hablaremos de agua para entender el funcionamiento, pero solo
tienes que cambiar el agua por corriente eléctrica, y la llave de agua por el
transistor y ya estaría entendido. Empecemos.
En la figura vemos la llave de agua en 3 estados diferentes. Para
que la llave suba y pueda pasar agua desde la tubería E hacia la tubería C, es
necesario que entre algo de agua por la pequeña tubería B y empuje la llave
hacia arriba (que el cuadrado de líneas suba y permita el paso de agua). En el
símil tenemos:
B = base
E = Emisor
C = Colector
- Funcionamiento en corte: si no hay presión de agua
en B (no pasa agua por su tubería), la válvula está cerrada, no se abre la
válvula y no se produce un paso de fluido desde E (emisor) hacia C (colector).
La válvula está en reposo y no hace nada.
- Funcionamiento en activa: si llega (metemos) algo de
presión de agua por la base B, se abrirá la válvula en función de la presión
que llegue, comenzando a pasar agua desde E hacia C.
- Funcionamiento en saturación: si llega suficiente
presión por B se abrirá totalmente la válvula y todo el agua podrá pasar desde
el emisor E hasta el colector C (la máxima cantidad posible). Por mucho que
metamos más presión de agua por B la cantidad de agua que pasa de E hacia C es siempre
la misma, la máxima posible que permita la tubería. Si metiéramos demasiada
presión por B podríamos incluso estropear la válvula.
Como ves una pequeña cantidad de agua por B permite el paso de
mucho más agua entre E y C (amplificador).
¿Entendido? Pues ahora el funcionamiento del transistor es
igual, pero el agua lo cambiamos por corriente eléctrica y la llave de
agua será el transistor.
En un transistor cuando no le llega nada de corriente a la base, no
hay paso de corriente entre el emisor y el colector (en corte), funciona
como un interruptor abierto entre el emisor y el colector, y cuando
tiene la corriente de la base máxima (en saturación) su funcionamiento
es como un interruptor cerrado dejando pasar la corriente, entre
el emisor y el colector. Además pasa la máxima corriente permitida por el
transistor entre E y C.
El tercer caso es que a la base del transistor le
llegue una corriente más pequeña de la corriente de base máxima para que se
abra el transistor, entonces entre Emisor y Colector pasará una corriente
intermedia que no llegará a la máxima.
Como ves el funcionamiento del transistor se puede
considerar como un interruptor que se acciona eléctricamente, por
medio de corriente en B, en lugar de manualmente como son los normales. Pero también
se puede considerar un amplificador de corriente porque con una
pequeña corriente en la base conseguimos una corriente mayor entre el emisor y
colector. Acuérdate del símbolo y mira la siguiente figura:
Las corrientes en un transistor son 3, corriente de base
Ib,corriente de emisor Ie y corriente del colector Ic.
En la imagen vemos las corrientes de un transistor tipo NPN.
Los transistores están formados por
la unión de tres cristales semiconductores, dos del tipo P uno del tipo N
(transistores PNP), o bien dos del tipo N y uno del P (transistores NPN).
Puedes saber más sobre estas uniones aquí: Unión PN. Según esto podemos tener 2 tipos de
transistores diferentes: PNP o NPN.
Polarización de un Transistor
Polarizar es aplicar las tensiones adecuadas a los componentes
para que funcionen correctamente.
Un polo P estará polarizado directamente si se conecta al positivo
de la pila, el polo N estará polarizado directamente si se conecta al polo
negativo. El revés estarían polarizados inversamente.
Hay una gama muy amplia de transistores, por lo que antes de
conectar deberemos identificar sus 3 patillas y saber si es PNP o NPN. En los
transistores NPN se debe conectar al polo positivo el colector y la base, y
en los PNP el colector y la base al polo negativo.
La unión BASE-EMISOR siempre polarizado directamente, y la unión
COLECTOR–BASE siempre polarizado inversamente en los dos casos.
Diferencias entre el transistor PNP y el NPN
Fíjate en los 2 tipos, la principal diferencia es que en el PNP
la corriente de salida (entre el emisor y colector) entra por el emisor y sale
por el colector. Fíjate que la flecha en el símbolo "pincha a la
base". Una regla para acordarse es que el PNP pincha (la p del principio).
En el NPN la corriente entra por el colector y sale por el
emisor, al revés. Si te fijas en la flecha la flecha "no pincha a la
base". Según la regla NPN = no pincha (la N del NPN). Con esta regla te
acordarás muy fácilmente si el símbolo es de un PNP o NPN. Recuerda pincha PNP,
no pincha NPN.
Otra cosa muy importante a tener en cuenta, es la dirección de las
corrientes y las tensiones de un transistor, sea NPN o PNP. Fíjate en la
siguiente imagen. En este caso hemos puesto el emisor abajo y el colector
arriba, no pasa nada es lo mismo, pero en algunos esquemas te los encontrarás
de esta forma y es bueno verlos así también.
Si te fijas, es fácil averiguarlas por intuición con la flecha del
símbolo. Si es PNP lógicamente la I del emisor (IE) tendrá la dirección del
emisor, por que entra por él. Por donde entran las corrientes estará el
positivo de las tensiones. Si la corriente del emisor entra por el emisor
(PNP), la tensión emisor colector tendrá el positivo por donde entre, es decir
en el emisor, y se llamará Tensión emisor-colector (Ve-c). Si la corriente
entra por el colector, o lo que es lo mismo sale por el emisor se llamara
Tensión colector-emisor (Vc-e) y la corriente saldrá por el emisor. No te líes
que es muy fácil, solo tienes que fijarte un poco, y no hace falta aprenderlas
de memoria.
Formulas del Transistor
Si te fijas en un PNP la corriente que entra es la del emisor, y
salen la del colector + la corriente de la base, pero al ser la de base
tan pequeña comparada con las otras dos, se puede aproximar diciendo que IE
= IC. En realidad las intensidades en un transistor serían:
IE = IC + IB; para los 2 tipos de transistores. Fíjate en la flecha del
símbolo y las deducirás.
Si nos dan 2 intensidades y queremos calcular la tercera solo
tendremos que despejar.
¿Cómo serían las intensidades en corte? Pues todas cero.
Otro dato importante en un transistor es la ganancia,
que nos da la relación que hay entre la corriente de salida IC y la necesaria
para activarlo IB (corriente de entrada). Se representa por el símbolo beta β.
β = IC / IB
La ganancia es realmente lo que se amplifica la corriente
en el transistor. Por ejemplo una ganancia de 100 significa que la
corriente que metamos por la base se amplifica, en el colector, 100 veces, es
decir será 100 veces mayor la de colector que la de la base. Como la de
colector es muy parecida a la del emisor, podemos aproximar diciendo que la
corriente del emisor también es 100 veces mayor que la de la base.
En un transistor que tenga una ganancia de 10, si metemos 1
amperio por la base, por el colector obtendremos 10 amperios. Como ves, el
transistor también es un amplificador. Pero OJO imagina que el transistor que
tienes solo permite como máximo 5 amperios de salida, ¿qué pasaría si metemos 1
amperio en la base? ¡¡¡Se quemaría!! Porque no soportaría esa
corriente de 10A en el colector.
También es muy importante que sepas que la corriente del
colector depende del receptor que tengamos conectado a la salida,
entre el colector y el emisor. La corriente del colector será la que
"chupe" ese receptor, nunca mayor. Si en el caso anterior el receptor
fuera un lámpara que solo consumiera 3 amperios no pasaría nada, ya que entre
el emisor y el colector solo circularían los 3 amperios que demanda la lámpara.
Fíjate en el siguiente circuito:
La lámpara "chupa" 3 amperios, pues la corriente
máxima que pasará entre emisor y colector, o lo que es lo mismo la corriente
que circulará por el circuito de salida será 3A, nunca más de 3 Amperios, que
es la que demanda la lámpara.
En ese circuito para que la lámpara luzca necesitamos meter una
pequeña corriente por la base para activar el transistor. Si no hay corriente
de base la lámpara no lucirá, porque el transistor actúa como un interruptor
abierto entre el colector y el emisor.
De todas formas hay que fijarse muy bien en las corrientes máximas
que aguanta el transistor que estemos usando para no quemarlo.
Otro dato importante es la potencia máxima que puede
disipar el transistor. Según la fórmula de la potencia: P = V x I, en el
transistor sería:
P = Vc-e x Ic tensión colector-emisor por intensidad del
colector.
Tenemos que saber la potencia total que tiene el receptor o los
receptores que pongamos en el circuito de salida para elegir un transistor que
sea capaz de disipar esa misma potencia o superior, de lo contrario se
quemaría.
En el caso del circuito anterior P = 3A x 6V = 18w, con lo cual el
transistor para el circuito deberá ser de esa misma potencia, mejor un poco
mayor.
Po último hablemos de las tensiones. Todos los transistores cumplen que
Vcb + Vbe = Vce, es decir las tensiones de la base son iguales a la tensión de
salida.
El circuito básico de un transistor es el que ves a continuación:
La resistencia de base
sería la de 20KΩ (kilo ohmios) y la resistencia de 1KΩ sería el receptor de
salida. Muchas veces se usa la misma pila para todo el circuito, como verás más
adelante.
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