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¿Qué es un transistor?

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Figura 1: Paquetes de transistores en orden de arriba hacia abajo: TO-3, TO-126, TO-92 y SOT-23 (foto de Transisto)

Se detalla otro componente electrónico importante utilizado en ascensores.

Al igual que los diodos, los transistores son actores importantes en el campo de la electrónica, especialmente en los controladores de movimiento de ascensores y los variadores de frecuencia (VFD) que tienen una amplia interfaz de operador. También al igual que los diodos, el mecanismo semiconductor del transistor es muy simple en el sentido de que implica la atracción y repulsión de los portadores de carga por los voltajes de polarización aplicados a los terminales del dispositivo. Los electrones y los huecos migran hacia las uniones de semiconductores o se alejan de ellas, regulando así flujos de corriente más altos entre varios terminales y tierra.

OBJETIVOS DE APRENDIZAJE

Después de leer este artículo, debería haber aprendido sobre:
♦ Cómo funcionan los transistores al atraer y repeler los portadores de carga
♦ El efecto del dopaje sobre el silicio cristalino
♦ Por qué se utiliza el proceso de dopaje
♦ Cómo se conectan la base, el colector y el emisor en los circuitos electrónicos
♦ Cómo manejar transistores

La diferencia definitoria entre diodos y transistores es que en el diodo hay dos capas (silicio de tipo N y P, con una sola unión entre ellos) donde tiene lugar la acción del semiconductor. Este artículo asume que el lector ya ha entendido el artículo del autor "¿Qué es un diodo?" (ELEVATOR WORLD, agosto de 2014) o entiende cómo funcionan estos dispositivos a nivel subatómico y en circuitos eléctricos. En comparación con los diodos, los transistores son algo más complejos, porque tienen tres capas de semiconductores con dos uniones. Los materiales (silicio de tipo N y P) se crean esencialmente como lo son para los diodos, mediante un proceso conocido como dopaje. El silicio cristalino no es conductor de electricidad. (Se han utilizado otros materiales semiconductores, pero hoy en día la elección suele ser el silicio). Pero, cuando se expone a trazas de ciertos otros elementos, el silicio cristalino se convierte en un semiconductor. Esto no significa que tenga una resistencia fija que se encuentre en algún lugar entre la de un aislante como el vidrio y la de un conductor como el cobre. Por el contrario, significa que bajo algunas condiciones, el silicio cristalino conduce, y bajo otras condiciones, no conduce.

Lo que subyace a todo esto es que el silicio, con un número atómico de 14, consiste en un núcleo con cuatro electrones que orbitan en su capa de valencia (exterior). (El número de electrones en la capa de valencia de cualquier elemento explica sus propiedades físicas y las formas en que interactúa con otros átomos cercanos). Los átomos pueden compartir electrones de valencia con átomos adyacentes. Debido a que tiene cuatro electrones en su capa de valencia, al silicio puro le gusta asumir la forma de una red cristalina, cada átomo comparte electrones y, por lo tanto, está estrechamente unido a cuatro átomos de silicio adyacentes. El silicio cristalino es muy estable y, eléctricamente, es un aislante.

Cuando el silicio cristalino está dopado con fósforo o arsénico (no se preocupe, la cantidad es infinitesimal), cada uno de los cuales tiene cinco electrones en su capa exterior, la situación cambia abruptamente. Entonces hay un electrón libre por cada átomo de silicio dopado. El exceso de electrones libres viaja en los espacios entre los átomos de silicio y se les conoce como "portadores de carga". El silicio cristalino, dopado con fósforo o arsénico y, por tanto, con electrones libres, es silicio de tipo N. Ya no es un aislante pero es capaz de conducir una corriente eléctrica, debido a la presencia de portadores de carga.

Incluso cuando los terminales del transistor no están etiquetados, es posible identificarlos y determinar el tipo de transistor mirando la punta de la flecha.

En un proceso de imagen especular que invierte las polaridades, el silicio cristalino se puede dopar exponiéndolo (de modo que se absorban cantidades diminutas) a boro o galio, los cuales tienen tres electrones en la capa exterior. Este proceso crea una deficiencia de electrones en el espacio entre los átomos de silicio. Estos puntos vacíos se denominan "huecos" y pueden considerarse partículas cargadas positivamente con una masa insignificante, como los protones que tienen polaridad positiva pero son mucho más masivos. Si estos agujeros existen realmente como partículas o se asemejan más a entidades conceptuales, podemos dejarlo en manos de los metafísicos. El hecho es que son eficaces como portadores de carga y necesarios para el funcionamiento de los semiconductores.

El silicio cristalino dopado con boro o galio se convierte en silicio de tipo P. Hemos visto en el artículo anterior sobre diodos que el silicio de tipo N y P unido forma una unión. Con cables conectados en los extremos, constituyen un dispositivo útil que conduce o no conduce, dependiendo de la polarización.

Los transistores también hacen uso de las propiedades semiconductoras exhibidas por el silicio cristalino de tipo N y P. Hoy en día, los transistores bipolares han sido reemplazados en gran medida, primero por transistores de efecto de campo (FET) y, finalmente, por el omnipresente semiconductor de óxido metálico FET (MOSFET), que tiene impedancias de entrada mucho más altas. Sin embargo, hay muchos transistores bipolares en equipos más antiguos, así como en aplicaciones contemporáneas. En esta pieza, nos ceñiremos a los transistores bipolares, ya que son más básicos y proporcionan una buena base para comprender las variedades más exóticas.

Como se mencionó anteriormente, los transistores constan de tres capas de semiconductores, una base, un emisor y un colector. Estos términos no deben tomarse demasiado en serio, porque la “base” no es una base, el “emisor” no emite nada y el “recolector” no recolecta nada. Aún así, esa es la terminología, y es bastante gráfica.

Cada capa tiene un cable conectado para que el transistor se pueda conectar a otros componentes, como resistencias, condensadores y bobinas, para formar un circuito. Los tres semiconductores están unidos, siempre con la base en el medio y el emisor y el colector a cada lado. Pero, no concluya que la derivación del medio va a la base, porque no siempre es así. Dado que hay tres capas, hay dos uniones. La base tiene dos uniones, y el emisor y el colector tienen cada uno una unión única que comparten con la base. El emisor y el colector no tienen una unión común y no están conectados eléctricamente, excepto a través de la base y, en algunas configuraciones, a través de circuitos externos.

Cada uno de estos semiconductores puede ser silicio de tipo P o N. El emisor y el colector son siempre del mismo tipo y la base es del otro tipo. Por consiguiente, los transistores pueden ser PNP o NPN. La versión PNP tiene una base de silicio tipo N con emisor y colector compuesto de silicio tipo P. “NPN” indica una base de tipo P y un colector y emisor de tipo N. Las dos uniones, como la unión simple de un diodo, pueden tener polarización directa o inversa y, por lo tanto, conducirán o no conducirán. En la mayoría de los circuitos, los transistores NPN y PNP se pueden intercambiar, pero todas las polaridades (incluidas las proporcionadas por la fuente de alimentación) se invertirán.

El esquema de un transistor consiste en un círculo con un semiconductor interno que se muestra, incluidos los cables que permiten las conexiones del circuito. La base se asemeja a una placa plana como el cátodo de un diodo. El colector y el emisor son líneas que se conectan a la base en ángulo. Por convención, la base se muestra a la izquierda, el colector en la parte superior y el emisor en la parte inferior, pero esto puede variar si lo requiere el diseño esquemático general.

La base, el colector y el emisor pueden estar etiquetados en el esquema, pero no siempre. Siempre puede distinguir emisor y colector, porque la línea de ángulo que tiene la punta de flecha es siempre el emisor. Además, si la flecha apunta hacia adentro, hacia la base, el transistor es PNP, y si apunta hacia afuera, el transistor es NPN. En resumen, incluso cuando los terminales del transistor no están etiquetados, es posible identificarlos y determinar el tipo de transistor mirando la punta de la flecha.

Los transistores tienen tres derivaciones. Con un cable como común, es posible tener dos circuitos de dos cables, y así es como se configuran los transistores. El emisor suele ser la conexión común. En este modo, el emisor base es la entrada y el emisor colector es la salida. Los pequeños cambios de entrada dan como resultado cambios de salida idénticos pero a un nivel de potencia mucho más alto. Esta potencia aumentada recibe su energía eléctrica de la fuente de alimentación, por lo que no se trata de obtener energía gratis. Sin embargo, la relación entrada / salida hace que los dispositivos sean extremadamente útiles en muchos tipos de equipos electrónicos.

Como amplificador, el transistor puede potenciar una señal entrante aplicada a los terminales de entrada, de modo que aparezca una versión amplificada en los terminales de salida. La relación entre la corriente base-emisor y la corriente colector-emisor se conoce como "ganancia". La salida de una etapa de transistor se puede acoplar a la entrada de una etapa siguiente para lograr una mayor amplificación. Se pueden conectar varias etapas en cascada, de modo que la señal muy débil captada por la antena se pueda amplificar lo suficiente como para impulsar altavoces grandes, video u otros dispositivos. Los transistores de baja ganancia tienen una ganancia de alrededor de 30. Un transistor de alta ganancia puede alcanzar 800 o más.

A medida que aumenta la entrada, la salida también aumenta de forma lineal. Sin embargo, más allá de cierto punto, el transistor (junto con su fuente de alimentación) no es capaz de una mayor amplificación y se dice que está "saturado". (Esto es similar a cuando un inductor, como el devanado de un transformador, se satura y ningún aumento adicional de la corriente eléctrica aumentará el flujo magnético). La saturación no es buena en un amplificador. A la forma de onda de salida le faltarán sus niveles máximos, con una línea plana en el punto de saturación. Esta condición se conoce como "saturación" y se manifiesta como un componente de zumbido desagradable en una salida de audio.

Además de la amplificación, los transistores pueden diseñarse y configurarse para otros fines. Un uso principal es como oscilador, que puede generar una onda sinusoidal u otra forma de onda de cualquier frecuencia deseada. Esto se aplicaría a una amplia gama de aplicaciones:

  • Los equipos electrónicos que incorporan un pitido de audio, como un teléfono, un videojuego o un sistema de alarma contra incendios, tendrán esta señal generada dentro de un circuito oscilador.
  • Un generador de señales produce un rango de frecuencias y formas de onda que los técnicos inyectan en el equipo defectuoso con el propósito de rastrear y ver la señal (con un osciloscopio) en cada etapa hasta que se localiza la falla.
  • Las señales de reloj que regulan las computadoras y los relojes de cuarzo son generadas por osciladores.
  • Prácticamente todos los receptores de radio y televisión son superheterodinos. Dejan caer la señal de radiofrecuencia (RF) captada por la antena a una frecuencia intermedia (FI) más manejable y frecuencias más bajas para etapas sucesivas de amplificación. La forma en que lo hacen es mezclando la señal de frecuencia más alta con una señal generada por un oscilador para sintetizar una señal de tiempo de suma y diferencia. La señal de frecuencia más baja deseada se selecciona utilizando un circuito resonante de bobina-condensador simple. En los primeros años de la transmisión de radio, la onda sinusoidal se generaba en la estación de transmisión y se enviaba junto con la señal de programación, pero hoy en día, el tono se genera localmente dentro del receptor. En un receptor de estilo antiguo, el condensador variable (que estaba sintonizado a diferentes frecuencias) estaba formado por dos dispositivos agrupados en un eje común. Esto fue para que, a medida que se adquirieran diferentes estaciones, hubiera una frecuencia de oscilador diferente para cada una, de modo que se pudiera sintetizar una única FI para toda la banda de transmisión.
  • Un VFD utilizado para proporcionar control de velocidad para un motor de CA (como el de un elevador) lo hace suministrando frecuencias apropiadas en la potencia que alimenta el motor. Estas frecuencias son suministradas por la sección del inversor del VFD.

Es posible tener una buena idea de la condición del transistor sobre una base de pasa / no pasa usando solo el ohmímetro.

Los principales tipos de osciladores electrónicos son el oscilador lineal y no lineal (relajación). Un oscilador lineal produce una onda sinusoidal pura. Consiste en un transistor configurado como amplificador con un bucle de retroalimentación, lo que significa que la salida se conecta de nuevo a la entrada. Cuando se enciende inicialmente, cualquier pequeña cantidad de ruido generado por el movimiento atómico en los circuitos o dentro del semiconductor se amplifica y se conduce de regreso a través de la entrada para que la amplificación y el filtrado continuos produzcan el tono deseado.

Los transistores se operan a propósito en el modo saturado en circuitos digitales, a diferencia de los circuitos analógicos discutidos anteriormente. Se utilizan en el modo digital (conmutador) en aplicaciones de alta potencia, como la conmutación de fuentes de alimentación, y en modos de baja potencia, como las puertas lógicas. En ambos diseños, el transistor está configurado como interruptor. Es similar a un interruptor de luz (no un interruptor de atenuación) en el sentido de que puede estar encendido o apagado, pero no en el medio. Cuando está en el modo de corte, la salida está apagada, y esto corresponde al número digital cero y al estado lógico "FALSO". Cuando está en modo saturado, la salida está encendida, y esto corresponde al número digital uno y al estado lógico "VERDADERO".

Una fuente de alimentación lineal, como vimos en el artículo sobre diodos, convierte la energía de CA de la red pública en una energía de CC de menor voltaje que se usa en equipos electrónicos para polarizar los componentes activos. Realiza esta tarea colocando un solo diodo de potencia en serie con una línea entrante (rectificador de media onda) o empleando cuatro diodos de potencia en una configuración de diamante (rectificador de puente de onda completa). Ambos arreglos son simples y bastante confiables, considerando el hecho de que la fuente de alimentación es el lugar donde fluye la energía del sistema completo. La desventaja es que se desperdicia una cantidad sustancial de energía cuando se disipa en forma de calor. Esto se debe a que, durante una gran parte del ciclo de CA, el dispositivo no se apaga (abre) ni se enciende (conduce toda la corriente); está en algún punto intermedio. Una vez más, la rueda de la ley de Ohm es relevante. La pérdida de potencia o calor es proporcional a I2 XR, la corriente al cuadrado por la resistencia. Cuando el rectificador está completamente encendido, R = 0, y cuando está completamente apagado, I = 0. En cualquiera de estos casos, la energía desperdiciada, disipada como calor, es 0.

La fuente de alimentación conmutada cumple esta condición, ya que convierte la entrada de onda sinusoidal en una onda cuadrada con tiempos de subida y bajada muy rápidos, lo que resulta en una pérdida de calor mínima. Por esta razón, los componentes y el dispositivo en general se pueden reducir, lo que reduce los costos y los requisitos de espacio. Sin embargo, existen algunas compensaciones. En primer lugar, las fuentes de alimentación conmutadas son más complicadas y más difíciles de diagnosticar y reparar. Además, las transiciones de alta velocidad pueden generar armónicos dañinos e interferencias de RF en equipos cercanos. Además, si hay muchas de estas unidades en una instalación, pueden contribuir a un factor de potencia deficiente. Cualquiera de estas desventajas puede mitigarse mediante la instalación de blindaje, la ubicación y el aislamiento juiciosos de otros conductores y la conexión a condensadores de corrección del factor de potencia.

A pesar de estas desventajas, ha habido un cambio importante desde las fuentes de alimentación lineales y hacia la conmutación, y es probable que esto continúe. En una fuente de alimentación conmutada, la regulación de voltaje se logra variando los tiempos de encendido y apagado relativos. La acción de encendido / apagado se realiza mediante uno o más transistores de potencia operados alternativamente por debajo del límite y por encima de los niveles de saturación.

Un convertidor elevador consta de un inductor y un diodo en serie entre el suministro y la carga. El transistor de conmutación se coloca en paralelo con el suministro y la carga, después del inductor pero antes del diodo. Cuando está apagado, es invisible, y cuando está encendido, deriva el diodo y la carga, pero no el inductor. El inductor reacciona a los cambios de corriente en el circuito induciendo un voltaje de contador, que se suma al voltaje de la fuente de alimentación en condiciones de interruptor abierto. Alternativamente, se puede utilizar un condensador en configuración en serie, creando un voltaje de salida más alto que el voltaje de entrada de CC. En ambos casos, el interruptor es un transistor de potencia de clasificación adecuada.

Los modos de falla involucran inductores, capacitores, diodos, transistores, transformadores o cableado abiertos o en cortocircuito (incluidas las terminaciones). Como siempre, este equipo puede contener voltajes almacenados peligrosos que pueden persistir mucho tiempo después de que se desconecte y bloquee la fuente de alimentación. No pruebe ni dé servicio a este equipo a menos que conozca los peligros y pueda desconectarlo de forma segura de todas las fuentes de energía y descargar el voltaje almacenado. Una resistencia de purga realizará esta tarea automáticamente, pero no se debe suponer nada, porque es posible que el dispositivo no esté conectado correctamente o que esté abierto.

Se puede probar un transistor usando el multímetro en modo ohmios, el multímetro en modo de prueba de diodo o transistor, un probador de transistores en circuito, un probador de transistores de servicio o un probador de transistores estándar de laboratorio. Todos estos imponen un voltaje de polarización según sea necesario. El probador de tipo de servicio mide la ganancia beta (directa). También mide la corriente de fuga del colector base sin voltaje en la base. Algunos instrumentos identifican cables de base, emisor y colector. El analizador de transistores estándar de laboratorio aplica polarización y señal, y lee la salida.

Se puede usar un ohmímetro para verificar un transistor, porque la fuente de alimentación del medidor (destinada a proporcionar la corriente para medir la resistencia) es adecuada para polarizar un semiconductor. Para realizar la prueba, se debe conocer la polaridad de las sondas del óhmetro. La mayoría de los fabricantes polarizan las sondas para que el negro, cuando se enchufa en el enchufe marcado como común, sea negativo. Pero esto no es universal, por lo que el mejor procedimiento es verificar la polaridad con un diodo en buen estado que tenga el cátodo marcado con una sola banda. Luego, las sondas se pueden etiquetar de forma permanente.

Se puede pensar en un transistor como dos diodos con los dos ánodos (que representan NPN) o los dos cátodos (que representan PNP) conectados. Esta conexión permite tres puntos de prueba. La Figura 3 sirve como un dispositivo de aprendizaje para mostrar cómo conectar un ohmímetro a un transistor con fines de prueba, pero nunca funcionará como un transistor en funcionamiento.

Volviendo al transistor que se va a probar, si no tiene un esquema del equipo en general, ni un número de pieza o una hoja de datos del fabricante, a menudo no es posible conocer la identidad de los tres cables y el tipo de transistor. Pero, al usar el multímetro en modo ohmios, puede sesgar y medir la continuidad de cada par de cables, recopilando así información valiosa.

Cada par de cables puede tener polarización directa o inversa, por lo que hay seis posibles medidas que se pueden tomar. Estas medidas proporcionan la única información disponible de las lecturas del ohmímetro. Volviendo al modelo de diodo, notará que un buen diodo leerá abierto a través de dos de los cables, independientemente de la forma en que esté conectado el ohmímetro. Entonces, estos dos cables son colector y emisor, pero no sabemos cuál es cuál. Sin embargo, sabemos que el plomo restante es la base.

Si los tres pares medidos en ambos sentidos leen bajos ohmios, el transistor está en corto. Si los tres pares medidos en ambos sentidos leen altos ohmios, el transistor está abierto. Deséchelo inmediatamente, antes de que se mezcle en su inventario.

Si el transistor pasa estas dos pruebas, es necesario realizar más investigaciones. Para revisar, se ha identificado el par colector-emisor y el cable restante está conectado a la base. Conecte las sondas en ambos sentidos a cada uno de los otros cables. Cuando está sesgado hacia adelante, la base conducirá a cualquiera de los dos cables. Las dos conexiones requieren un sesgo diferente para llevarlas a cabo. A partir de estas lecturas, puede identificar los cables no base si conoce el tipo de transistor, o puede determinar el tipo de transistor si conoce la identidad de al menos uno de los cables.               

Vemos que sin ninguna información sobre el transistor, no es posible determinar todo, pero con información parcial, el tipo de transistor o la identidad colector-emisor, podemos completar las incógnitas restantes. En cualquier caso, es posible tener una buena idea de la condición del transistor sobre una base de pasa / no pasa usando solo el ohmímetro.

Dos atributos importantes de cualquier transistor bipolar son α y β. Con la base en la tierra de la señal, α es la corriente del colector dividida por la corriente del emisor, que es la ganancia dinámica del transistor. β es la corriente del colector dividida por la corriente base cuando el emisor está en la tierra de la señal. Estos dos atributos se aplican a un transistor cableado en dos configuraciones. Esta relación se detalla en las siguientes fórmulas:

α = β / (1 + β)

β = α / (1 - β)

Siempre puede encontrar α y β en las hojas de datos del fabricante, y estas cantidades son relevantes para el trabajo de diseño y para determinar un reemplazo adecuado cuando no se puede obtener el transistor original.

En una placa de circuito, los transistores defectuosos (como otros componentes discretos) se pueden reemplazar, pero se requiere un cuidado especial para que no se dañen con el calor del soldador. Coloque un disipador de calor entre el componente que se va a soldar y la fuente de calor. Los alicates de punta fina de mandíbula lisa, que se mantienen cerrados por medio de una banda de goma, funcionarán.

Preguntas de refuerzo del aprendizaje

Utilice las preguntas de refuerzo del aprendizaje a continuación para estudiar para el Examen de evaluación de educación continua disponible en línea en www.elevatorbooks.com o en la página 115 de este número.
♦ ¿Cuántas capas semiconductoras hay en el transistor simple?
♦ ¿Qué causa que cambie la resistencia del silicio cristalino?
♦ ¿Qué papel juegan los electrones libres en el proceso semiconductor?
♦ ¿Cuáles son los dos tipos de portadores de carga?
♦ ¿Qué son la base, el emisor y el colector?

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David Herres tiene una licencia de Master Electrician de New Hampshire y ha trabajado como electricista en la parte norte de ese estado durante muchos años. Se ha centrado en la redacción desde 2006, habiendo escrito para revistas como ELEVATOR WORLD, Construcción y mantenimiento eléctrico, Negocio de cableado, Negocio eléctrico, Nuts and Volts, PV Magazine, Electrical Connection, Solar Connection, Solar Industry Magazine, Fine HomeRevista de construcción y Noticias de Ingeniería.

Mundo del ascensor | Diciembre de 2014 Portada

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