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Los transistores son dispositivos electrónicos semiconductores con tres terminales, de manera que, entre los tres terminales existen seis variables eléctricas. Las seis variables eléctricas son: tres tensiones y tres corrientes. Permiten controlar, con un terminal, la intensidad de corriente o la tensión que circula por los otros dos terminales. En el transistor se toma un terminal común, así que se forma una caja o cuadripolo.
El cuadripolo está definido por una corriente de entrada, una tensión de entrada, una corriente de salida y una tensión de salida. Una vez conocidas, dos de las tensiones del transistor se determina la tercera aplicando la ley de las tensiones de Kirchhoff y, también, una vez conocidas, dos de las corrientes del transistor se determina la tercera aplicando la ley de las corrientes de Kirchhoff. Los transistores se consideran elementos activos de los circuitos, a diferencia de los elementos pasivos que se conocen como resistores, inductores y capacitores.
Los transistores son empleados para entregar una señal de salida como respuesta a una determinada señal de entrada. El transistor es un dispositivo controlado por corriente del cual se obtiene una corriente amplificada, es decir, su principal aplicación está basada en la amplificación de corriente dentro de un circuito cerrado. Los transistores pueden comportarse como amplificadores, ya que con una pequeña variación de la señal de control se traduce en un gran cambio de intensidad de corriente o tensión entre los terminales del dispositivo.
Se aplican también como osciladores, conmutadores y rectificadores. Los transistores se utilizan mucho en convertidores de corriente alterna a corriente directa y viceversa, así como en aplicaciones de baja y media potencia. Debido a que los transistores tienen algunas limitaciones, no es posible utilizarlos en determinadas aplicaciones.
Descripción de las curvas características del transistor
En este apartado se verá, a modo general, qué son las curvas características de los transistores y en función de qué parámetros están. No se mostrarán gráficas, ya que aún no se ha hecho énfasis en los tipos de transistores. Este apartado sirve como base para comprender las curvas características de los diferentes tipos de transistores. Existen varias curvas características de los transistores, generalmente una curva para la entrada denominada “característica de entrada”, la cual es la corriente de entrada frente a la tensión de entrada.
Otra curva para la salida denominada “característica de salida”, que muestra la corriente de salida frente a tensión de salida. Ahora, debido a la interdependencia entre la entrada y la salida del transistor, esto es, lo que ocurre en la entrada afecta a la salida y lo que ocurre en la salida afecta a la entrada, entonces las curvas incluyen esta dependencia entrada-salida y salida-entrada.
Para la entrada, ocurre que existe una curva para la corriente de entrada Ie en función de la tensión de entrada Ve para varias tensiones de salida Vs. Ie = f1′(Ve,Vs) Para la salida, existe una curva para la corriente de salida Is como función de la tensión de salida Vs, para varias corrientes de entrada Is. Is = f2 (Vs, Ie)
El transistor bipolar de unión
El transistor bipolar tiene dos uniones PN en su estructura: la denominada “unión emisora” y la denominada “unión colectora”, estas uniones se encuentran una a continuación de la otra. La “unión emisora” es la unión PN que se encuentra entre los terminales de emisor y base. Por otro lado, la denominada “unión colectora” es la unión PN que está entre los terminales de base y colector. Los transistores bipolares están divididos en dos grupos, cuyos nombres vienen dados por la estructura física de cada uno de ellos: transistores bipolares NPN y transistores bipolares PNP.
- Transistor NPN: en este transistor el emisor es un semiconductor tipo N, la base es un semiconductor tipo P y el colector es un semiconductor tipo N.
- Transistor PNP: en este transistor el emisor es un semiconductor tipo P, la base es un semiconductor tipo N, y el colector es un semiconductor tipo P.
Modelo ideal
En el modelo ideal del circuito del transistor bipolar, la corriente de colector viene fijada por una fuente dependiente de corriente. El valor de la fuente de corriente es controlado por la corriente de base. Es importante fijarse en un detalle, la corriente de emisor es saliente para el NPN y entrante para el PNP. En el transistor NPN las corrientes de base y colector son entrantes, mientras que en el transistor PNP las corrientes de base y colector son salientes. En ambos transistores, las corrientes de base y colector se suman y dan como resultado la corriente de emisor.
Cuando un circuito contiene a un transistor bipolar, el cual se supone que se comporta idealmente, es importante saber calcular las corrientes de cada uno de los terminales, es decir, las corrientes de colector (Ic), base (Ib) y emisor (Ie). Como se puede observar, en el modelo ideal la corriente en el colector se calcula así: Ic = βF Ib Donde βF es una constante denominada ganancia de corriente en emisor común en funcionamiento directo, que más adelante se explicará mejor.
Por ejemplo, conociendo la corriente de base, se puede obtener la corriente de colector aplicando y luego obtener la corriente de emisor aplicando la ley de las corrientes de Kirchhoff. Recordar que esta ley enuncia que la suma de las corrientes entrantes es equivalente a la suma de las corrientes salientes.
Modelo real
En el modelo real, el circuito equivalente de un transistor, además de tener fuentes dependientes, tiene diodos en su estructura. En los modelos reales de los transistores NPN y PNP, el circuito contiene un diodo entre base y emisor, otro diodo entre base y colector, una fuente dependiente entre colector y emisor, además de dos condensadores. La diferencia en los modelos reales de los transistores NPN y PNP radica en el sentido de los diodos y las corrientes, que son en sentidos contrarios.
En los valores de las fuentes dependientes, βF es la ganancia de corriente en emisor común en funcionamiento directo y βR es la ganancia de corriente en emisor común en funcionamiento inverso. Normalmente βF es mucho mayor que βR , es típico que se tengan los valores βF = 100 y βR = 1. VT es la tensión térmica, que se trabaja a temperatura ambiente de 300 Kelvin, cuyo valor es VT = 25mV y las corrientes Ise e Isc son las corrientes inversas de saturación de los diodos del modelo real.
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