Transistor Explicado – Cómo Funcionan los Transistores

esto es un transistor es uno de los dispositivos más importantes que se han inventado así que vamos a aprender cómo funcionan en detalle en este vídeo los transistores tienen muchas formas y tamaños hay dos tipos principales los bipolares y los de efecto de campo en este vídeo nos centraremos en la versión bipolar los transistores son pequeños componentes electrónicos con dos funciones principales pueden actuar como interruptor para controlar circuitos y también pueden amplificar señales los transistores pequeños de baja potencia están recubiertos de una carcasa de resina para ayudar a proteger las piezas internas pero los transistores de mayor potencia tendrán una carcasa parcialmente metálica que se utiliza para ayudar a eliminar el calor generado ya que éste dañará los componentes con el paso del tiempo por lo general estos transistores de carcasa metálica están unidos a un disipador de calor que ayuda a eliminar el calor no deseado por ejemplo dentro de esta fuente de alimentación de corriente directa tenemos algunos transistores mosfet que están unidos a grandes disipadores de calor sin el disipador los componentes alcanzan rápidamente los 45 grados celsius o 113 fahrenheit con una corriente de solo 1 con 2 amperes se calentará mucho más a medida que aumente la corriente pero para los circuitos electrónicos con corrientes pequeñas podemos utilizar simplemente los transistores con carcasa de resina que no requieren un disipador de calor en el cuerpo del transistor encontraremos un texto que nos indica el número de parte con el que podemos encontrar la hoja de datos del fabricante cada transistor está diseñado para manejar un determinado voltaje y corriente por lo que es importante consultar estas hojas en un transistor tenemos tres terminales etiquetados como b b y c esto significa el emisor la base y el colector normalmente con estos transistores de carcasa de resina con el borde plano la terminal de la izquierda es el emisor la del medio es la base y la de la derecha es el colector sin embargo no todos los transistores utilizan esta configuración por lo que debe consultar la hoja de datos del fabricante sabemos que si conectamos una lámpara a una batería ésta se iluminará podemos instalar un interruptor en el circuito y controlar la luz interrumpiendo la alimentación pero esto requiere que una persona controle manualmente el interruptor entonces cómo podemos automatizar esto para ello utilizamos un transistor este transistor bloquea el flujo de corriente por lo que la luz está apagada pero si proporcionamos un pequeño voltaje a la terminal de la base de que el transistor permita el flujo de corriente en el circuito principal por lo que la luz se enciende podemos entonces colocar un interruptor en la terminal de control para hacerla funcionar a distancia o podemos colocar un sensor en ella para automatizar el control normalmente necesitamos aplicar al menos 0.6 0.7 voltios a la terminal de la base para que el transistor se entienda por ejemplo este es sencillo circuito de transistores tiene un led rojo con una fuente de alimentación de 9 voltios a través del circuito principal la terminal de la base está conectada a la fuente de alimentación de corriente directa el diagrama del circuito tiene el siguiente aspecto cuando el voltaje de la base es de 0.5 voltios el transistor está apagado por lo que el led también está apagado a 0.6 voltios el transistor está encendido pero no del todo el led está atenuado porque el transistor aún no deja pasar toda la corriente por el circuito principal a continuación a 0 con 7 voltios el led es más brillante porque el transistor está dejando pasar casi toda la corriente y a 0 con 8 el led está a pleno rendimiento el transistor está completamente abierto entonces lo que sucede es que estamos usando un pequeño voltaje y corriente para controlar un mayor voltaje y corriente hemos visto que un pequeño cambio en el voltaje de la terminal de la base provoca un gran cambio en el circuito principal por lo tanto se introducimos una señal en la terminal de la base el transistor actúa como un amplificador podríamos conectar un micrófono que variará la señal de voltaje en la terminal de la base y esto la amplificaría en el circuito principal para formar un amplificador muy básico normalmente hay una corriente muy pequeña en la terminal de la base que está es solo un miliamperios o incluso menos el colector tiene una corriente mucho mayor por ejemplo 10.000 amperes la relación entre estas dos se conoce como ganancia de corriente y utiliza el símbolo beta podemos encontrar la relación en la hoja de datos del fabricante en este ejemplo la corriente de colectores de 100.000 amperes y la corriente de base es de un mil jumper por lo que la relación es 100 dividido por uno lo que nos da ya podemos reordenar esta fórmula para encontrar también las corrientes tenemos dos tipos principales de transistores bipolares el tipo nn y el pnp los dos transistores parecen casi idénticos por lo que tenemos que revisar el número de parte para saber cuál es cada uno utilizando un transistor tenemos el circuito principal y el circuito de control ambos están conectados al positivo de la batería el circuito principal está apagado hasta que pulsamos el interruptor del circuito de control podemos ver que la corriente fluye por ambos lados hacia el transistor podemos quitar el circuito principal y el led del circuito de control se seguirá entendiendo cuando se pulsa el interruptor ya que la corriente está volviendo a la batería a través del transistor en este ejemplo ha simplificado cuando se pulsa el interruptor hay 5000 yen pérez que fluyen hacia la terminal de la base hay 20 emilio pérez que fluyen hacia la terminal del colector y 25 que salen del emisor por tanto la corriente se acumula en el transistor utilizando un transistor pnp tenemos de nuevo el circuito principal y el circuito de control pero ahora el emisor está conectado al positivo de la batería el circuito principal está apagado hasta que pulsamos el interruptor del circuito de control podemos ver que parte de la corriente fluye fuera de la terminal de la base y vuelve a la batería el resto de la corriente fluye a través del transistor y a través del led principal y de nuevo a la batería si quitamos el circuito principal el led del circuito de control se seguirá encendiendo en este ejemplo cuando se pulsa el interruptor hay 25.000 amperes que fluyen hacia el emisor 20.000 yens pérez que salen del colector y 5.000 yens pérez que salen de la base por tanto la corriente se divide en el transistor voy a ponerlos uno al lado del otro para que puedas ver cómo se compara los transistores se muestran en los dibujos eléctricos con símbolos como estos la flecha se sitúa en la terminal del emisor la flecha señala la dirección de la corriente convencional para que sepamos cómo conectarlos en nuestros circuitos para entender cómo funciona un transistor quiero que primero te imagines a agua fluyendo por una tubería fluye libremente por la tubería hasta que la bloqueamos con un disco ahora si conectamos una tubería más pequeña a la principal y colocamos una compuerta giratoria dentro de esta tubería pequeña podemos mover el disco utilizando una polea cuanto más se abra la compuerta giratoria más agua podrá fluir por la tubería principal la compuerta giratoria es un poco pesada por lo que una pequeña cantidad de agua no será suficiente para abrirla se necesita una cierta cantidad de agua para forzar la apertura de la compuerta cuanta más agua fluya en esta pequeña tubería más se abre la compuerta y permite que fluya más y más agua en la tubería principal así es como funciona esencialmente un transistor nn quizás ya sepas que cuando diseñamos circuitos electrónicos utilizamos la corriente convencional así que en este circuito de transistor nn suponemos que la corriente fluye desde el positivo de la batería hacia las terminales del colector y la base y luego sale por la terminal del emisor siempre utilizamos esta dirección para diseñar nuestros circuitos sin embargo eso no es lo que ocurre en realidad en realidad los electrones fluyen del negativo al positivo de una batería esto fue demostrado por joseph thompson quien realizó algunos experimentos para descubrir los electrones y también demostrar que fluyen en la dirección opuesta así que en realidad los electrones fluyen del negativo al emisor y luego salen del colector y de la base a esto le llamamos flujo de electrones las pondré una al lado de la otra para que puedas ver la diferencia entre las dos teorías recuerda que siempre diseñamos los circuitos utilizando el método de la corriente convencional pero los científicos e ingenieros saben que el flujo de electrones es como realmente funciona por cierto también hemos explicado en detalle el funcionamiento de una batería en nuestro vídeo anterior bien sabemos que la electricidad es el flujo de electrones a través de un cable el cable de cobre es el conductor y el plástico es el aislante los electrones pueden fluir fácilmente a través del cobre pero no pueden fluir a través del aislante de plástico si observamos el modelo básico de un átomo para un conductor metálico tenemos el núcleo en el centro y este está rodeado por una serie de capas orbitales que contienen los electrones cada capa contiene un número máximo de electrones y un electrón debe tener una determinada cantidad de energía para seguir aceptado en cada capa los electrones más alejados del núcleo son los que tienen más energía la capa más externa se conoce como capa de valencia un conductor tiene entre 1 y 3 electrones en su capa de valencia los electrones se mantienen en su lugar gracias al núcleo pero hay otra capa conocida como banda de conducción si un electrón puede llegar a ella puede liberarse del átomo y pasar a otros átomos en un átomo metálico como el cobre la capa de valencia y la banda de conducción se sobreponen por lo que es muy fácil que los electrones se muevan en el caso de un aislante la capa más externa está repleta hay muy poco o ningún espacio para que un electrón se integre el núcleo tiene un fuerte control sobre los electrones y la banda de conducción está muy lejos por lo que los electrones no pueden llegar a ella para escapar por lo tanto la electricidad no puede fluir a través de este material sin embargo hay otro material conocido como semiconductor el silicio es un ejemplo de semiconductor en este material hay un electrón de más en la capa de valencia para que sea un conductor por lo que actúa como un aislante pero como la banda de conducción está bastante cerca si proporcionamos algo de energía externa a algunos electrones ganarán suficiente energía para dar el salto a la banda de conducción y quedar libres por lo tanto este material puede actuar como aislante y como conductor el silicio puro casi no tiene electrones libres así que lo que hacen los ingenieros es recubrir el silicio con una pequeña cantidad de otro material lo que cambia sus propiedades eléctricas a esto lo llamamos dopaje de tipo p y de tipo n combinamos estos materiales para formar la unión pn podemos juntarlos para formar un transistor nn o pnp dentro del transistor tenemos la terminal del colector y la terminal del emisor entre ellos en un transistor tenemos dos capas de material de tipo n y una capa de tipo p el conductor de la base está conectado a la capa de tipo p en un transistor pnp esto está configurado justo al revés todo esté recubierto de una resina para proteger los materiales internas imaginemos que el celeste o aún no ha sido dotado por lo que sólo hay silicio puro en su interior cada átomo de silicio está rodeado por otros cuatro átomos de silicio cada átomo quiere 8 electrones en su capa de valencia pero los átomos de silicio solo tienen 4 electrones en su capa de valencia por lo tanto comparten disimuladamente un electrón con su átomo betinho para conseguir los 8 que desea esto se conoce como enlace covalente cuando añadimos el material de tipo n como el fósforo este ocupará la posición de algunos de los átomos de silicio los átomos de fósforo tienen 5 electrones en su capa de valencia así que como los átomos de silicio comparten electrones para conseguir los 8 deseados no necesitan este extra lo que significa que ahora hay electrones de más en el material y estos son libres de moverse con el dopaje de tipo p añadimos un material como el aluminio este átomo solo tiene 3 electrones en su capa de valencia por lo tanto no puede proporcionar a sus cuatro vecinos un electrón para compartir por lo que uno de ellos tendrá que quedarse sin él esto significa que se ha creado un hueco que puede ocupar un electrón ahora tenemos dos piezas tapadas de silicio una con demasiados electrones y otra con pocos electrones los dos materiales se unen para formar una unión pn en esta unión obtenemos lo que se conoce como región de agotamiento en esta región algunos de los electrones sobrantes del lado de tipo n se desplazarán para ocupar el hueco del lado de tipo p esta migración formará una barrera con una acumulación de electrones y huecos en lados opuestos los electrones están cargados negativamente y los huecos se consideran por tanto cargados positivamente así que esta acumulación provoca una región con carga negativa y otra con carga positiva esto crea un campo eléctrico y evita que se muevan más electrones la diferencia de potencial a través de esta región suele ser de unos 07 voltios si conectamos una fuente de voltaje a través de los dos extremos con el positivo conectado al material tipo p se creará una polarización directa y los electrones comenzarán a fluir la fuente de voltaje tiene que ser mayor que la barrera de 0 con 7 voltios de lo contrario los electrones no pueden hacer el salto cuando invertimos la fuente de alimentación para que el positivo esté conectado al material tipo n los electrones retenidos en la barrera serán arrastrados hacia el terminal positivo y los huecos serán arrastrados hacia el terminal negativo esto provoca una polarización inversa en un transistor en ep n tenemos dos capas de material tipo n por lo que tenemos dos uniones y por tanto dos barreras por lo tanto no puede fluir corriente a través de él normalmente el material tipo n del emisor está muy dotado por lo que hay un gran exceso de electrones la base de tipo p está ligeramente tapada por lo que hay algunos huecos el colector de tipo n está moderadamente dopado por lo que hay un exceso de electrones aquí si conectamos una batería a través de la base y el emisor con el positivo conectado a la capa de tipo p se creará una polarización directa la polarización directa de que la barrera se colapse siempre que el voltaje sea de al menos 0 con 7 voltios así la barrera disminuye y los electrones se precipitan para llenar el espacio dentro del material tipo p algunos de estos electrones ocuparán un hueco y serán atraídos hacia el terminal positivo de la batería la capa de tipo p es delgada y está ligeramente dopada a propósito para que haya pocas posibilidades de que los electrones caigan en un hueco el resto permanecerá libre para moverse por el material por lo tanto solo una pequeña corriente saldrá de la terminal de la base dejando un exceso de electrones ahora en el material de tipo p si entonces conectamos otra batería entre el emisor y el colector con el positivo conectado al colector los electrones cargados negativamente dentro del colector serán atraídos hacia el terminal positiva lo que provoca una polarización inversa si recuerdas con la polarización inversa los electrones y huecos de la barrera son atraídos de nuevo al otro lado así los electrones del lado de la barrera de tipo p son arrastrados hacia el lado de tipo n y los huecos del lado de tipo n son arrastrados hacia el lado del p hay un exceso de electrones en el material de tipo p por lo que se moverán para ocupar estos huecos y algunos de ellos serán arrastrados al otro lado porque el voltaje de esta batería es mayor por lo que la atracción es mucho mayor a medida que estos electrones son atraídos fluyen hacia la batería por lo que se desarrolla una corriente a través de la unión de polarización inversa un mayor voltaje en la terminal de la base abre completamente el transistor lo que significa que hay más corriente y más electrones moviéndose hacia la capa de tipo p y por tanto más electrones son arrastrados a través de la polarización inversa también vemos más electrones fluyendo en el lado del emisor del transistor comparado con el lado del colector bien eso es todo por este vídeo pero para seguir aprendiendo sobre ingeniería eléctrica haz clic en uno de los vídeos que aparecen en pantalla y te espero en la siguiente lección no olvides seguirnos en facebook twitter instagram linkedin y por supuesto en ingeniero y main set puntocom

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