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Teoría y problemas de Diodos y transistores

semiconductores Los diodos y los transistores son dos de los semiconductores base de la electrónica integrada ( circuitos integrados, microprocesadores, etc ) que han permitido un salto muy importantes en la Electrónica. Hay otros no menos importantes, como el triac, pero en este caso nos vamos a centrar en estos dos. Primero veremos algo de la base de los:

 

Semiconductores

Tenemos dos tipos de semiconductores, con la misma materia prima, la Sílice ( arena de la playa ).

En la imagen de la izquierda tenemos la estructura molecular de este material. Como se puede apreciar, cada átomo de Silicio está enlazado con los átomos vecinos por un enlace ( en total 4 enlaces ).

El siguiente paso es dopar ( añadir impurezas ) al semiconductor para que cambie sus propiedades eléctricas. De esta forma surgen los semiconductores tipo P y tipo N

 

Para obtener el tipo  N, tenemos que añadir átomos de arsénico o el fósforo  ( 5 electrones de valencia ). De esta forma, 4 electrones se usan para los enlaces y uno queda libre

 

semiconductor tipo N

Para obtener el tipo  P, tenemos que añadir átomos de galio, boro ..  ( 3 electrones de valencia ). Ahora tenemos sólo tres electrones para los enlaces. Se va a generar un Hueco

 

semiconductor tipo p

 

Para construir el primer componente, tenemos que coger un "trozo" del tipo P y otro del tipo N. Esto da lugar al

Diodo

diodo

El diodo es un componente semiconductor con dos terminales ( Ánodo y cátodo ) de forma que , según la polarización, dejara pasar la corriente en un sólo sentido. Vamos a ver qué pasa cuando lo polarizamos.

leyenda atomosAntes de nada, tomemos en consideración las diferentes situaciones de los átomosbarrera potencial union pn

En el primer cuadrado nos indica las situación de los átomos antes de que se produzca ninguna unión

En el segundo cuadrante, que puede ocurrir cuando se une un tipo P y un tipo N ( en concreto, qué puede ocurrir en la Unión ).

Lo primero que hacemos es representar la Unión P-N sin polarizar.

En esta situación, justo antes de hacerse la unión, no existe barrera de potencial y la materia a ambos lados de la unión es neutra ( hay tantos electrones como protones )

Una vez que se hace la unión, algunos electrones cercanos  a la unión, se verán atraídos por los huecos de la frontera ( en el lado P ) . Esto hace que pasen cargas desde una zona (N) a la otra. La consecuencia es que dejamos un espacio en el lado N cargado positivamente y la zona de la frontera del lado P, cargado negativamente. En esta situación, a los electrones le costará mas trabajo "saltar la barrera " y por tanto se paralizará el paso de cargas.

Veremos ahora que pasa cuando unimos las dos partes. Los electrones del tipo N mas próximos a la frontera se desplazan y ocupan los huecos del tipo P, de forma que pasado un tiempo se crea una barrera que impide que mas electrones pasen la barrera.

Vemos esto en la imagen de la derecha

Polarización de la unión P-N en directo

polarización en directo union pn

Vamos a conectar el ánodo al polo positivo de la pila y el cátodo al negativo. En este caso, los electrones que estaban situados en la parte P de la barrera, verán el polo positivo de la pila, siendo atraídos por ese campo y abandonando el lugar que tenía. Eso hace que la barrera baje y sea aprovechada para que otros electrones pasen desde N hasta P. Ahora tenemos una corriente eléctrica

Polarización de la unión P-N en Inverso

polarización en inverso

. Ahora estamos polarizando polarizando la zona N con tensión positiva. Los electrones abandonan el material para llegar al positivo de la pila. La barrera de potencial aumenta y apenas pasan electrones de un lado a otro. Ahora NO tenemos corriente y el diodo se dice que está en corte.

Podemos completarlo con este vídeo

 

Curva característica del diodo
 

curva caracterisitica del diodo

 

En la imagen de la izquierda tenemos el diodo polarizado en directo ( cuadrante A ) y en inverso ( Cuadrante B)

En polarización en directo, tenemos que , una vez pasado cierta tensión ( tensión umbral ), el diodo empieza a conducir la corriente sin apenas presentar oposición . Se asemeja a un interruptor cerrado.

Si nos fijamos en ese cuadrante, la pendiente de la curva es muy elevada. A pequeños incrementos de la tensión entre ánodo y cátodo, se producen grandes incrementos en la corriente

En el cuadrante B, tenemos la polarización en inverso. En este caso, la barrera de potencial de la unión es muy alta y apenas pasan cargas ( corriente de fuga ).

Llega un momento que la tensión de la pila es tan alta, que se produce una avalancha de cargas en el diodo, disparando la corriente ( Zona de ruptura )

 

El transistor

Creado en los Laboratorios Bell de la AT&T, permitió en su día reducir los sistemas electrónicos, dado que sustituía a la válvulas de vacío.modelos transistores
Se puede decir que son dos uniones P-N vistas anteriormente.

Un transistor es un dispositivo que controla y regula una corriente grande por medio de una señal pequeña


Tiene tres terminales, que son:
 

transistores

a) La Base Terminal por el que entra la corriente de control. Si entra corriente , el transistor funciona

b) El emisor Terminal por donde entra la  corriente que queremos controlar

c) El colector Terminal que recibe la corriente de emisor ( con el beneplácito de  la base ).

A la izquierda  tenemos los dos tipos de transistores  NPN y PNP, con su simbología.

 

Veamos como funciona un transistor  de la manera mas sencilla posible

similitud con grifo

En este caso, tenemos que recurrir a la típica comparación del grifo, donde el pequeño esfuerzo de la llave, controla grandes presiones de agua

Según esté la llave mas o menos abierta, podemos tener tres estados. Corte, conducción y saturación.

estados transistor

 

Si por la base entramos una corriente , la barrera de la unión base-colector disminuye permitiendo el flujo de corriente. A mas corriente de base mas corriente de colector. Estas corrientes están relacionados con el parámetro β de donde :

relacion ganancia corriente transistor

Donde Ic  es la corriente de Colector e Ib la corriente de base y se cumple aproximadamente en la zona de trabajo del transistor . ( no  en saturación )

En la siguiente sección, vemos con algo mas de formalidad, cómo se mueve las cargas ( las mayoritarias y minoritarias ) en las capas del transistor

Mostrar/Ocultar Portadores en el  transistor

como funciona el transistor

En  cada capa del transistor tenemos lor portadores mayoritarios ( los que predominan mas ) y los minoritarios ( lo que menos ). Por ejemplo, en el material N, el mayoritario es el electrón.

Los portadores fluyen de una zona a otra por difusión, debido a la concentración de portadores en dos zonas diferentes.

Lo típico es  dopar fuertemente al emisor comparado con las otras capas. La base y el colector son similares. Aún así, el colector suele doparse unas 10 veces mas que la base.

 En esta situación de concentraciones, las cargas mayoritarias en emisor ( electrones en NPN) pasan a la base, donde son minoritarios, pasando al colector, con menor concentración

En zona de trabajo típico, la unión base-emisor está polarizada en directo ( zona P a positivo y zona N a negativo ) y la unión base-colector polarizada en inverso. En esta situación y a modo simplificado, los electrones de la base pasa con gran facilidad a la base donde algunos se combinan con los huecos de la base ( recombinación ) y la mayoría pasan al colector.

Para minimizar el fenómeno de la recombinación, la zona de la base se debe hacer lo suficientemente estrecha para que el tiempo que disponen en su paso por la base sea tan pequeño, que pocos electrones se unan a los huecos de la base

Vamos a ver como se analiza un circuito sencillo con un transistor.

ejemplo ejercicio transistor

 

Tenemos que tratar un problema de transistor como dos circuitos ( entrada y salida ) donde la relación entre ellos no la da la ganancia de corriente, que en este caso es 100

Lo primero es calcular la corriente que entra en la base. Como es la misma que la corriente que pasa por la resistencia Rb, calculamos esa corriente.  Por la ley de Ohm, tenemos:

ejercicio NPN 1

Sustituimos valores y :

ejercicio NPN 2

 

Como la corriente de colector es Beta veces la corriente de base:

 

Ic = β*Ib = 100 *  8,6 µA = 0.86 mA

 

Para calcular la Vce, quitamos a la tención Vcc, la caída de tensión en la resistencia de colector. Tenemos:

 

Vce = Vcc - Rc*Ic = 12-0,86mA*2KΩ = 10,86 V

 

 

 

Problemas de diodos y transistores

problema diodo 1

Problema  1: En el circuito de la figura, calcular la corriente que sale de la pila si la tensión en la unión del diodo es 0,6 voltios. Solución: 0,84 mA

 

Problema 2.

 Tenemos un diodo LED que en las características nos indica una intensidad máxima de trabajo de 20 mA. Calcular la resistencia que tenemos que poner para que no se estropee. Se supone una caída de tensión en el mismo de 1 voltio y la tensión de la pila de 11 voltios.

problema transistor 1

Problema 3 En el circuito de la figura, calcular  la tensión colector-emisor si la ganancia del transistor es 20 voltios y la tensión base emisor es 1 voltio.

 
Problema transistor 2

Problema 4.  En el circuito de la figura, se supone que el transistor tiene una ganancia de corriente β de 10 y que la caída de tensión entre base y emisor es 0,7 voltios. Calcular la corriente de colector y la tensión que cae entre Colector y emisor

problema-transistor-1

  Problema 5 . Calcular la tensión Vce, y las corrientes en cada resistencia del siguiente circuito. Se considera que la ganancia en corriente es 100 y la tensión base emisor es 0,7 voltios.

Este problema se puede hacer de dos formas. La primera y más complicada se deja la solución en enlace de abajo. La segunda la veremos usando el teorema de thevenin

Solución 

Este ejercicio también lo podemos ver en el siguiente vídeo

Mostrar/Ocultar Solución en vídeo

  Teorema de thevenin

Has resultado difícil el 5 ? . Seguro que sí. En esta ocasión, para resolverlo se ha supuesto una serie de ecuaciones, y si uno no es muy hábil, tendremos problemas para dar con la solución. Afortunadamente, existe un teorema con la idea de hacer simple un problema complicado.

Pasamos a exponerlo.

teorema de Thevenin

  Vamos a explicarlo. Básicamente, la idea es pasar de un circuito lioso, a uno más sencillo, con su generador y su resistencia de carga. Los dos se llaman equivalentes si responden de igual forma , o sea entre A y B tenemos los mismos valores eléctricos que entre A' y B'.

Para ello suponemos dos situaciones

a) El circuito está sin carga. O sea, le hemos quitado lo que había conectado entre A y B. En este caso, y con el ejemplo de la figura, la tensión AB es la misma que la tensión que cae en R3, dado que no hay corriente por R2 , y por tanto, no hay caída de tensión. En este caso será:

Vab

Si eso tenemos a la salida , eso tenemos que tener a la salida del 2º circuito. Por otro lado, como en el 2º circuito está abierto, la tensión anterior coincide con la tensión del generador Thevenin

b) Si los generadores  se agotan, tendrían una tensión 0 entre bornes. Lo mismo que un cable

Lo que se hace ahora es cortocircuitar los ds generadores y calcular la resistencia que se ve  desde  la salida

El circuito de la izquierda, tiene ahora R1 y R3 en paralelo y el resultado en serie con R2

A la derecha, la resistencia que se ve coincide con  R thevenin

Por tanto:

resistencia thevenin

Ya tenemos nuestro generador y nuestra resistencia.

 Ahora hacemos los cálculos para el problema 5, lo sustituimos en el 5 y a comprobar que todo es mas sencillo

 

transistor-darlington

Problema 6. El circuito de la figura 6 utiliza un transistor Darlington. En este caso, la conexión en cascada hace que la beta total del sistema sea el producto de la β1 multiplicada por la β2.

Las tensiones Vbe cada transistor es 0,7 voltios ,   β1 = 10  y β2 = 20

a) Calcular la corriente de colector y la tensión Vce suponiendo que los dos transistores se pueden sustituir por uno de ganancia β1*β2

b) Hacer los mismo cálculos considerando los dos transistores

 
problema 7 de transistores

Ejercicio7: En el circuito de la derecha, la ganancia en corriente es 50 y la tensión entre base y emisor 0,7 voltios.

Calcular la corriente de base, la corriente de colector y la Vce.

 
problema transistor 8

Ejercicio 8.  En el circuito de la figura, si la ganancia de corriente es 50, calcular:

1º La corriente de base

2º La tensión Colector-emisor

 

 

Ejercicio 9. Diseñar un circuito de forma que al iluminar un fotodiodo, se encienda una bombilla. Hay que usar un transistor.

 

   

Don't KnowResolución de problemas::

  Problema 7

Para las tensiones, y buscando el camino que sigue la corriente desde que sale de la pila hasta que llega al negativo, tenemos que:

 10 V = Ib * 10 KΩ  + Vbe + Ie * 20Ω >>> 10 V = Ib * 10 KΩ  + 0,7 + 51*Ib * 20Ω .

 Reorganizando esta expresión, nos queda que: Ib

De aquí podemos sacar la corriente de colector:

Ic = 0,844 * 50 = 42,2 mA

Ie = 0,844 * 51 = 43,044 mA

La tensión en el circuito de salida:

 10 V = 40 * Ic + Vce + 20 * Ie =>> Vce = 10 - 40*42,2 mA - 20* 43,044 mA = 7,45 V

Problema 5 problema 7

Se considera una tensión base-emisor de 0,7 voltios y una beta de 100.Vamos a establecer las ecuaciones de las tensiones en el circuito de base:

1º) 10 V = I1x10KΩ + I2 x 2KΩ

2º ) 10 V = I1 x 10 KΩ + Vbe + Ie x 1 KΩ

Ahora las fórmulas para las corrientes

3º) Ic = β x Ib                4º ) Ie = Ic  + Ib          5º) I1 = I2 + Ib

Sustituimos 3 en la 4 »  4º ) Ie = 100xIb  + Ib = 101 Ib  

  Desarrollamos la 1 y la 2

1º) 10 V = (I2 + Ib) x 10KΩ + I2 x 2KΩ  = I2 x 12KΩ + Ib x 10 KΩ  »»»  .

Esta ecuación la vamos a sustituir en la 2

. 2º ) 10 V = (I2 + Ib) x 10KΩ + 0,7 + 101 x Ib x 1 KΩ  

2º ) 10 V = I2 x 10KΩ   + Ib x 10KΩ + 0,7 + 101 x Ib x 1 KΩ >>

 ecu1

ecu2

 ecu3

ecu4

 Ya podemos obtener el resto de valores. Ic = 9,35 μA * 100 = 0,935 mA

 De la fórmula 4, tenemos que Ie = 101 * Ib = 9,35 μA * 101 = 944,35 μA

 La tensión colector emisor la obtenemos de la expresión: 10 V = Ic * 3K + Vce + Ie * 1K

Sustituyendo valores: 10 =  0,935 mA * 3 K + Vce + 0,944 mA * 1K

despejando Vce nos dá una tensión de Vce = 10 - 2,85 V - 0,944V = 6,206 Voltios  

 

Diseño PCB

Ciclo de Grado Medio Instalaciones de Telecomunicaciones. Ies Mare Nostrum. Málaga