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 derecha un transistor real y a la izquierda 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:
- Deja pasar o corta señales eléctricas a partir de una PEQUEÑA señal de mando. Como Interruptor.
- Funciona como un elemento Amplificador de señales.
Pero el Transistor también puede cumplir funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador.
Veamos como funciona un transistor.
Funcionamiento del Transistor
Un transistor puede tener 3 estados posibles en su trabajo dentro de un circuito:
- En activa : deja pasar mas 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 (luego lo haremos). 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 tubería B y empuje la llave hacia arriba (que el cuadrado de líneas suba).
- Funcionamiento en corte: si no hay presión de agua en B (no pasa agua por su tubería), la válvula esta cerrada, no se abre la válvula y no se produce un paso de fluido desde E (emisor) hacia C (colector).
- Funcionamiento en activa: si llega algo de presión de agua a 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.
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, ycuando tiene la corriente de la base máxima (en saturación) su funcionamiento es como un interruptor cerrado, entre el emisor y el colector hay paso de corriente y 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 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 por que con una pequeña corriente en la base conseguimos una corriente mayor entre 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).
Polarización de un Transistor
Polarizar es aplicar las tensiones adecuadas a los componentes para que funcionen correctamente.
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 deba 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.
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 mu 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.
Es fácil si te fijas averiguarlas por intuición con la flecha del símbolo. Si es PNP lógicamente la 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. Si la corriente entra por el colector, o lo que es lo mismo sale por el emisor se llamara Tensión colector-emisor 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 de la base, pero al ser la de base tan pequeña comparada con las otras dos se puede aproximar diciendo que IE = IC. En realidadlas intensidades en un transistor serían:
IE = IC + IB; para los 2 tipos de transistores. Fijate 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 ?.
? = IC / IB
La ganancia es realmente lo que se amplifíca 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 es el transistor también es un amplificador. Pero OJO imagina que el transistor que tienes solo permite como máximo 5 amperios de salido, ¿qué pasaría si metemos 1 amperio en la base? ¡¡¡Se quemaría!! por que no soportaría esa corriente 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 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, por que 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 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 20Kohmios y la resistencia de 1Kohmios sería el receptor de salida. Muchas veces se usa la misma pila para todo el circuito, como verás más adelante.
Ejercicio con Transistores
Los ejercicios con transistores, como ves por las fórmulas, suelen ser muy sencillos, pero alguno hay que se complica un poco.
¿Hacemos un ejercicio complicado? Venga.
Un transistor de tipo npn y ?= 100 se conecta de la siguiente manera: la base se conecta al terminal positivo de una pila de 5 V a través de una resistencia de 100 kohmios; el colector se conecta al terminal positivo de otra pila de 10 V a través de una resistencia de 100 ohmios el emisor se conecta a los terminales negativos de ambas pilas. En estas condiciones calcule la corriente de colector. tensión base-emisor 0,7A. Aqui tienes la solución:
¿No lo entiendes? Te lo explico:
Si aislas el circuito de entrada (el de la base) tenemos una pila de 5V con una resistencia de 100 Kohmios y la tensión de la base- emisor. Si I = V / R. Intensidad es igual a la tensión partido por la resistencia (ley de ohm).
IB = (Vpila - Vb-e)/ Rb = (5-0,7)/ 100.000 = 4,3 x 10 elevado a menos 5 o lo que es lo mismo 0,000043A.
La tensión de la Vb-e es contrario a la de la pila (recuerda los signos) y por eso se restan.
Aplicando la fórmula de la ganacia ? = IC/IB si despejamos la IC sería IC =? x IB= 0,0043A y ya está resuelto.
En este circuito por el receptor de salida, cuando se activa el transistor, circulan 0,0043A. Pero fijate para activar el transistor solo hace falta una corriente de base de 0,000043A, mucho menor.
¿Por qué la base siempre lleva una Resistencia?
En todos los circuitos que veas con transistores verás que hay una Rb (resistencia de base) colocada en serie con la base. Su misión es proteger la base para que no le llegue nunca una corriente muy grande a la base y se queme el transistor. La Rb al estar en serie con la base limita la corriente que le llega a la base, de tal forma que no sea más grande que la que puede soportar la base. Recuerda I = V / R ley de ohm, si no hubiera Rb la I sería infinito. Cuanto mayor sea la Rb menor será la IB.
¿Hacemos un circuito con el transistor?
Circuitos con Transistores
Empecemos por uno básico. Se trata de un circuito que cuando ponemos los dedos entre 2 chapas se active un motor de c.c. (corriente continua). Aquí lo tenemos:
Según esta en el esquema no hay corriente de base y el transistor será un interruptor abierto entre el emisor y colector, lo que hace que el motor no gire.
Si ponemos lo dedos uniendo las dos chapas de la izquierda, a la base le llegará una pequeña corriente a través de la Rb de 2,2Kohmios. Esto hace que el transistor se active y se comporte como un interruptor cerrado entre emisor y colector, permitiendo paso de corriente en el circuito de salida, con lo que el motor gira.
¿Fácil NO? Pues ya tienes tu primer circuito con un transistor. Vamos a por otro.
Ahora vamos a construir una alarma por rotura de un cable. Cuando el cable se rompe un zumbador (timbre) suena. Aquí tienes el circuito:
Fíjate que cuando el cable no esta roto la corriente de la pila se cierra por la Rb de 10Kohmios y vuelve a la pila por el cable que no le ofrece ninguna resistencia. El transistor esta en corte, no hay Ib, y por el circuito de salida no pasa corriente, lo que implica que la alarma no suena.
Cuando el cable se rompe la corriente entra por la Rb y pasa a la base por que no puede circular por el cable. ¿Qué pasará?. Pues que hay corriente en la base, el transistor se activa y la alarma suena.
Gato