Transistores y amplificadores operacionales.
OBJETIVO
El objetivo principal es que el alumno al finalizar este informe entienda el conceptos obre la electrónica y las sus diferentes aplicaciones que contienen. Este informe nos ayudara a conocer las diferencias que existen entre cada uno de los transistores Reconocer que roll ocupan la electrónica en la industria así como sus funciones, características y aplicaciones que existen También podrá entender la operación que tiene estos complejos dispositivos electrónicos No obstante el estudiante reconocerá y aplicara las formas de manipulación de los transistores en los circuitos electrónicos así como también adquirirá los conocimientos necesarios que a la hora de hacer el mantenimiento de un sistema electrónico pueda resolveros satisfactoriamente y su vez pueda controlándolo mediante el Análisis Periódico y comprenderá las diferentes fallas que suelen tener los transistores , para posteriormente aplicar dichos conocimientos en las diferentes prácticas de la escuela, así como también en la industria
Sería imposible entender la evolución de la electrónica digital en general, y de la informática en particular sin una buena comprensión de lo que es, y lo que ha aportado el transistor a estas ciencias. El transistor vino a reemplazar a un dispositivo denominado tubo de vacío (los tubos de vacío aún se emplean en electrónica de potencia, cuando son necesarias para la ganancia, por ejemplo en amplificadores para trasmisión vía satélite) con las siguientes ventajas:
· Su consumo de corriente es mucho menor con lo que también es menor su producción de calor.
· Su tamaño es también mucho menor. Un transistor puede tener el tamaño de una lenteja mientras que un tubo de vacío tiene un tamaño mayor que el de un cartucho de escopeta de caza. Esto permite una drástica reducción de tamaño.
· Mientras que las tensiones de alimentación de los tubos estaban alrededor de los 300 voltios las de los transistores vienen a ser de 10 voltios con lo que los demás elementos de circuito también pueden ser de menor tamaño al tener que disipar mucho menos calor y soportar tensiones mucho menores.
· El transistor es un elemento constituido fundamentalmente por silicio o germanio. Su vida media es prácticamente ilimitada y en cualquier caso muy superior a la del tubo de vacío.
Como podemos ver el simple hecho de pasar del tubo de vacío al transistor supone un gran paso en cuanto a reducción de tamaño y consumo y aumento de fiabilidad.
Es necesario destacar que el desarrollo del transistor se apoya en múltiples disciplinas científicas que abarcan la química, la física y la ingeniería de materiales entre otras.
TRANSISTOR NPN Y PNP
El transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. Los transistores bipolares se usan generalmente en electrónica analógica.
· Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Su nombre se debe a que esta terminal funciona como emisor de portadores de carga.
· Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.
· Colector, de extensión mucho mayor ,los transistores de tipo NPN aquellos que tienen mas N en su nombre, esto quiere decir que utilizan "partículas" subatómicas de signo Negativo para transportar la corriente.
Y que los de tipo PNP, es decir, aquellos con mas P en su nombre, por lo que utilizan "partículas" subatómicas de signo Positivo para transportar la corriente.Esta diferencia es importante porque la forma de conectar estos transistores difiere dependiendo de si son de tipo NPN o PNP, debido a que la cuestión de los signos de voltaje de entrada difiere dependiendo de con cual transistor te encuentras trabajando. Otra diferencia que podemos manejar es el material con el que están elaborados ya que generalmente los PNP se construyen con Germanio mientras los NPN mas comúnmente son construidos con Silicio.
PNP
Un tipo de transistor de unión bipolar es el PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias.
Los transistores PNP consisten en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentación a través de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector. La flecha en el transistor PNP está en el terminal del emisor y apunta en la dirección en que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo (esto en cuanto a su simbología).
NPN
NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación.
Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la "base") entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisor-común es amplificada en la salida del colector. La flecha en el símbolo del transistor NPN está en la terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo está en funcionamiento activo.
TRANSISTOR
EN CORTE O EN SATURACIÓN
El funcionamiento del transistor depende de la cantidad de corriente que pase por su base. Cuando no pasa corriente por la base, no puede pasar tampoco por sus otros terminales; se dice entonces que el transistor está en corte, es como si se tratara de un interruptor abierto. El transistor está en saturación cuando la corriente en la base es muy alta; en ese caso se permite la circulación de corriente entre el colector y el emisor y el transistor se comporta como si fuera un interruptor cerrado.
El transistor trabaja en conmutación cuando puede pasar de corte a saturación según la cantidad de corriente que reciba por su base.
En la animación, el ventilador (representado por una M) sólo funcionará cuando la temperatura sea alta. La ventaja de utilizar el transistor y no un interruptor convencional es que el transistor corta o reanuda la corriente de forma mucho más rápida.
TRANSISTOR
EN CORTE
He aquí dos ejemplos de circuitos con transistores en corte.
En ambos casos, la resistencia de la parte inferior es muy pequeña; en el circuito de la izquierda porque incide luz sobre la LDR y por lo tanto la resistencia es baja, y en el circuito de la derecha porque la palanca del potenciómetro está en posición de mínima resistencia.
Como la resistencia en la zona inferior es pequeña, la corriente prefiere irse por ahí y no por la base. Podríamos pensar que el circuito puede cerrarse por el colector y el emisor y encender la bombilla, pero no es así, al no haber corriente en la base no hay corriente en ningún terminal. La bombilla está apagada.
TRANSISTOR
EN SATURACIÓN
Vemos los mismos circuitos que antes pero con transistores en saturación; ahora es de noche y la LDR no recibe luz por lo que su resistencia es alta. En el circuito de la derecha, la palanca del potenció metro está en posición de máxima resistencia. Como la resistencia en la parte inferior es muy alta, la corriente va a preferir irse por la base del transistor. Como hay corriente en la base, se permite también que haya corriente por los otros terminales; la bombilla se enciende
TRANSISTOR COMO
AMPLIFICADOR
Un caso intermedio entre corte y saturación se produce cuando la corriente en la base no es tan pequeña como para cortar la corriente en los otros terminales, pero tampoco tan grande como para permitirla pasar completamente.
En ese caso el transistor funciona como un amplificador que nos proporciona entre el colector y el emisor un múltiplo de la corriente que pasa por la base.
En estas imágenes se ve como al regular con el potenciómetro la corriente que pasa por la base, la bombilla brilla más o menos.
Cuando el transistor se comporta como un amplificador y conduce parcialmente decimos que trabaja en la zona activa.
EJEMPLOS DE TRANSISTORES
TRANSISTOR BJT
El transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. La denominación de bipolar se debe a que 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 ellos su impedancia de entrada bastante baja.
Los transistores bipolares son los transistores más conocidos y se usan generalmente en electrónica analógica aunque también en algunas aplicaciones de electrónica digital, como la tecnología TTL o BICMOS.
Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan formadas tres regiones:
· Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Su nombre se debe a que esta terminal funciona como emisor de portadores de carga.
· Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.
· Colector, de extensión mucho mayor.
Este dispositivo se utiliza, fundamentalmente, como generador de pulsos de disparo para SCR y TRIACs.
El UJT es un componente que posee tres terminales: dos bases y un emisor, tal como se muestra en la siguiente figura: En la figura se puede apreciar la constitución de un UJT, que en realidad está compuesto solamente por dos cristales. Al cristal P se le contamina con una gran cantidad de impurezas, presentando en su estructura un número elevado de huecos. Sin embargo, al cristal N se le dopa con muy pocas impurezas, por lo que existen muy pocos electrones libres en su estructura. Esto hace que la resistencia entre las dos bases RBB sea muy alta cuando el diodo del emisor no conduce
TRANSISTOR DE EFECTO CAMPO ( FET)
Los transistores de efecto de campo o FET más conocidos son los JFET (Junction Field Effect Transistor), MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) y MISFET (Metal-Insulator-Semiconductor FET).
Tienen
tres terminales, denominadas puerta (gate),
drenador (drain) y fuente (source). La puerta es la terminal
equivalente a la base del BJT (Bipolar
Junction Transistor). El transistor de efecto de campo se comporta como
un interruptor controlado por tensión, donde el voltaje aplicado a la puerta
permite hacer que fluya o no corriente entre drenador y fuente.El funcionamiento del transistor de efecto de
campo es distinto al del BJT. En los MOSFET, la puerta 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 las otras terminales, no
siempre puede ser despreciada.
TRANSISTORES
MOSFET
Los transistores MOSFET o Metal-Oxido-Semiconductor (MOS) son dispositivos de efecto de campo que utilizan uncampo eléctrico para crear una canal de conducción.
Son dispositivos más importantes que los JFET ya que la mayor parte de los circuitos integrados digitales se construyen con la tecnología MOS.
Existen dos tipos de
transistores MOS: MOSFET de canal N o NMOS y MOSFET de canal P o PMOS. A su vez, estos transistores pueden
ser de acumulación (ENHANCEMENT
) o
deplexion (deplexion); en la actualidad los segundos están prácticamente en
desuso y aquí únicamente serán descritos los MOS de acumulación también
conocidos como de enriquecimiento.
TRANSISTOR
DARLINGTON
En electrónica, el transistor Darlington o AMP es un dispositivo semiconductor que combina dos transistores bipolares en un tándem (a veces llamado par Darlington) en un único dispositivo.
La configuración (originalmente realizada con
dos transistores separados) fue inventada por el ingeniero de los Laboratorios Bell Sidney Darlington. La idea de poner dos o tres
transistores sobre un chip fue
patentada por él, pero no la idea de poner un número arbitrario de transistores
que originaría la idea moderna de circuito integrado.
FOTO
Un foto transistor es, en esencia, lo mismo que un transistor normal, sólo que puede trabajar de 2 maneras diferentes:
- Como un transistor normal con la corriente de base (IB) (modo común)
- Como foto transistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces de corriente de base. (IP) (modo de iluminación).
AMPLIFICADOR OPERACIONAL
Se trata de un dispositivo electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia): Vout = G·(V+ − V−)el más conocido y comúnmente aplicado es el UA741 o LM741.
El primer amplificador operacional monolítico, que data de los años 1960, fue el Fairchild μA702 (1964), diseñado por Bob Widlar. Le siguió el Fairchild μA709 (1965), también de Widlar, y que constituyó un gran éxito comercial. Más tarde sería sustituido por el popular Fairchild μA741 (1968), de David Fullagar, y fabricado por numerosas empresas, basado en tecnología bipolar.
El símbolo de un amplificador es el mostrado en la siguiente figura:
Los terminales son:
· V+: entrada no inversora
· V-: entrada inversora
· VOUT: salida
· VS+: alimentación positiva
· VS-: alimentación negativa
Los terminales de alimentación pueden recibir diferentes nombres, por ejemplos en los A.O. basados en FET VDD y VSS respectivamente. Para los basados en BJT son VCC y VEE.
Habitualmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas eléctricos por claridad.
Ganancia.
El A.O. ideal tiene una ganancia e impedancia de entrada infinita, un ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula, un tiempo de respuesta nulo y ningún ruido.La ganancia, en lo referido a señales eléctricas, es una magnitud que expresa la relación entre la amplitud de una señal de salida respecto a la señal de entrada. Se mide en unidades como belio “B” o submúltiplos de éste. Cuando la ganancia es negativa (menor que 0), hablamos de atenuación.
Impedancia
Impedancia (Z) es la medida de oposición que presenta un circuito a una corriente cuando se aplica un voltaje. La impedancia extiende el concepto de resistencia a los circuitos de corriente alterna (CA), y posee tanto en magnitud y fase, a diferencia de la resistencia, que sólo tiene magnitud. A diferencia de la resistencia, en la impedancia se incluyen los efectos de acumulación y eliminación de carga (capacitancia) y/o inducción magnética (inductancia). Obviamente, este efecto es solo apreciable ante cambios en el tiempo de la señal eléctrica.
OPAM INVERSOR
La determinación de la ganancia de tensión en bucle cerrado se realizará teniendo en cuenta la restricción del cortocircuito virtual (con realimentación negativa), las leyes de Kirchhoff y teniendo en cuenta que las corrientes en las entradas es nula. Suponiendo que en la entrada inversora está al mismo potencial que la entrada no inversora, la corriente proveniente del generador de señal que circula por R1 tendrá que continuar su camino por R2 hasta el terminal de salida.
Lo cual nos da lo siguiente:
OPAM NO INVERSOR
Se trata de un amplificador con Av > 0.
La ganancia viene dada por la relación entre las resistencias de realimentación.
La impedancia de entrada es teóricamente infinita, pues la corriente de entrada es cero.
Al ser la ganancia independiente de la carga, la tensión de salida es independiente de la carga; por tanto, la impedancia de salida es cero.
Lo cual nos da lo siguiente:
EJEMPLOS DE AMPLIFICADORES OPERACIONALES
Comparador
· Esta es una aplicación sin la retroalimentación. Compara entre las dos entradas y saca una salida en función de qué entrada sea mayor. Se puede usar para adaptar niveles lógicos.
SEGUIDOR
Es aquel circuito que proporciona a la salida la misma tensión que a la entrada.
· Se usa como un buffer, para eliminar efectos de carga o para adaptar impedancias (conectar un dispositivo con gran impedancia a otro con baja impedancia y viceversa)
· Como la tensión en las dos patillas de entradas es igual: Vout = Vin
CONVERTIDOR DE
CORRIENTE A VOLTAJE
El conversor de corriente a voltaje, se conoce también como Amplificador de transimpedancia, llegada a este una corriente (Iin), la transforma en un voltaje proporcional a esta, con una impedancia de entrada muy baja, ya que esta diseñado para trabajar con una fuente de corriente.
El conversor de corriente a voltaje, se conoce también como Amplificador de transimpedancia, llegada a este una corriente (Iin), la transforma en un voltaje proporcional a esta, con una impedancia de entrada muy baja, ya que esta diseñado para trabajar con una fuente de corriente.
Con el resistor R como factor de proporcionalidad, la relación resultante entre la corriente de entrada y el voltaje de salida es:
Su aplicación es en sensores, los cuales no pueden ser activados, con la poca corriente que sale de algún sensor , por lo que se acopla un A.O. que usa la poca corriente entregada, para dar salida a un voltaje (Vout)
FUNCIÓN EXPONENCIAL Y LOGARÍTMICA
El logaritmo y su función inversa, la función exponencial, son ejemplos también de configuraciones no lineales, las cuales aprovechan el funcionamiento exponencial del diodo, logrando una señal de salida proporcional al logaritmo o a la función exponencial a la señal de entrada.
La señal de entrada, desarrollará una corriente proporcional al logaritmo de su valor en el diodo en aproximación. Ello, en conjunto con la resistencia de salida R, la dependencia de la tensión de salida(Vout) como producto de la tensión de entrada(Vin) es:
Los factores n y m, son factores de corrección, que se determinan por la temperatura y de los parámetros de la ecuación del diodo.
Para lograr la potenciación, simplemente se necesita cambiar la posición del diodo y de la resistencia, para dar lugar a una nueva ecuación,esta ecuación también acompañada por los factores de corrección n y m, muestra la siguiente dependencia de la tensión de salida con relación a la de entrada:
RESUMEN
Transistor npn y pnp
El transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales
· Emisor, que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal
· · Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.
· · Colector, de extensión mucho mayor.
PNP
Un tipo de transistor de unión bipolar es el PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN brinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias
NPN
NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor. La mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN, debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación.
Transistor
en corte o en saturación
TRANSISTOR EN CORTE
Cuando no pasa corriente por la base, no puede pasar tampoco por sus otros terminales; se dic
e entonces que eltransistor está en corte, es como si se tratara de un interruptor abierto
TRANSISTOR EN SATURACIÓN
El transistor está en saturación cuando la corriente en la base es muy alta; en ese caso se permite la circulación de corriente entre el colector y el emisor y el transistor se comporta como si fuera un interruptor cerrado.
Ejemplos de transistores
Transistor BJT
El transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor, o sus siglas BJT) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales.
El transistor de Unijuntura (UJT)
Este dispositivo se utiliza, fundamentalmente, como generador de pulsos de disparo para SCR y TRIACs.
El UJT es un componente que posee tres terminales: dos bases y un emisor
Transistor de efecto campo
El transistor de efecto campo (Field-Effect Transistor o FET, en inglés) es en realidad 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 diferencia de potencial.
TRANSISTORES MOSFET
Los transistores MOSFET o Metal-Oxido-Semiconductor (MOS) son dispositivos de efecto de campo que utilizan uncampo eléctrico para crear una canal de conducción.
Son dispositivos más importantes que los JFET ya que la mayor parte de los circuitos integrados digitales se construyen con la tecnología MOS.
Transistor Darlington
En electrónica, el transistor Darlington o AMP es un dispositivo semiconductor que combina dos transistores bipolares en un tándem (a veces llamado par Darlington) en un único dispositivo.
La configuración (originalmente realizada con dos transistores separados) fue inventada por el ingeniero de los Laboratorios Bell Sidney Darlington. La idea de poner dos o tres transistores sobre un chip fue patentada por él, pero no la idea de poner un número arbitrario de transistores que originaría la idea moderna de circuito integrado.
FOTO TRANSISTOR
Un fototransistor es, en esencia, lo mismo que un transistor normal, sólo que puede trabajar de 2 maneras diferentes:
- Como un transistor normal con la corriente de base (IB) (modo común)
- Como fototransistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces de corriente de base. (IP) (modo de iluminación).
Se pueden utilizar las dos en forma simultánea, aunque el fototransistor se utiliza principalmente con la patita de la base sin conectar. (IB = 0)
La corriente de base total es igual a corriente de base (modo común) + corriente de base (por iluminación): IBT = IB + IP
Si se desea aumentar la sensibilidad del fototransistor, debido a la baja iluminación, se puede incrementar la corriente de base (IB), con ayuda de polarización externa
El circuito equivalente de un fototransistor, es un transistor común con un fotodiodoconectado entre la base y el colector, con el cátodo del fotodiodo conectado al colector del transistor y el ánodo a la base
Amplificador operacional
Se trata de un dispositivo electrónico (normalmente se presenta como circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia): Vout = G·(V+ − V−)el más conocido y comúnmente aplicado es el UA741 o LM741.
GANANCIA.
En el modelo ideal habíamos supuesto que la ganancia en lazo
abierto era infinita y también que esta ganancia no dependía de
la frecuencia
Impedancia
La impedancia de salida de un amplificador operacional real de propósito general varía
en el rango de las decenas y centenas de ohmios.
El efecto Miller hace que la impedancia de salida de un circuito realimentado sea mucho
mas baja que la impedancia de salida del propio amplificador.
OPAM INVERSOR
Se llama así este montaje porque la señal de salida es inversa de la de entrada, en polaridad, aunque pude ser mayor, igual o menor, dependiendo esto de la ganancia que le demos al amplificador en lazo cerrado. La señal, como vemos en la figura, se aplica al terminal inversor o negativo del amplificador y el positivo o no inversor se lleva a masa .La resistencia R2, que va desde la salida al terminal de entrada negativo, se llama de realimentación
Este circuito es muy parecido al inversor, la diferencia es que la señal se introduce por el terminal no inversor, lo cual va a significar que la señal de salida estará en fase con la señal de entrada y amplificada.El análisis matemático será igual que en el montaje inversor.
BIBLIOGRÁFIA
LINK DE DIARIO DE ACTIVIDADES DEL MES DE SEPTIEMBRE
https://docs.google.com/document/d/11BU7EWFiscwDyiQn3PajoLYDL5R_3HrC6n_jrtf6t48/edit?usp=sharing
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