Conceptos Esenciales de Transistores, Semiconductores y Resistencias en Electrónica

Transistores Bipolares de Unión (BJT)

Transistor PNP

Un transistor PNP es un dispositivo semiconductor que consta de tres capas dopadas en el orden P-N-P. Cada una de estas capas está conectada a un terminal que la comunica con el circuito electrónico exterior. Estos terminales son:

• Emisor: Es el terminal que emite los portadores de carga mayoritarios (huecos en el caso del PNP).
• Base: Es el terminal mediante el cual se controla el estado de conducción del transistor. Una pequeña corriente de base (desde el emisor hacia la base) controla una corriente mucho mayor entre emisor y colector.
• Colector: Es el terminal que recoge los portadores de carga; es decir, es la salida de corriente principal del transistor.

Un transistor PNP tiene tres estados de conducción principales:

• Estado de Corte (Aislante): No hay corriente significativa entre emisor y colector. El transistor actúa como un circuito abierto.
• Estado Activo: Una pequeña corriente eléctrica fluye desde el emisor hacia la base, lo que permite que una corriente controlada y amplificada fluya desde el emisor hacia el colector. En este estado, el transistor funciona como un amplificador.
• Estado de Saturación: La corriente de base alcanza un valor tal que la corriente de emisor a colector llega a su valor máximo posible, y ya no incrementa significativamente con aumentos adicionales de la corriente de base. El transistor actúa como un interruptor cerrado.

Transistor NPN

Un transistor NPN consiste en la unión física de tres cristales dopados siguiendo el orden N-P-N. Cada uno de estos cristales está unido a un terminal que lo comunica con el circuito electrónico exterior. La referencia de estos terminales es:

• Colector: Es el terminal por donde entran las cargas eléctricas (electrones) desde el circuito externo para fluir hacia el emisor; es decir, es la entrada de corriente principal.
• Base: Es el terminal mediante el cual se controla el estado de conducción del transistor. La intensidad de corriente circulará por él en sentido opuesto al PNP (desde la base hacia el emisor).
• Emisor: Es el terminal que emite los portadores de carga mayoritarios (electrones en el caso del NPN).

Un transistor NPN tiene tres estados de conducción principales:

• Estado de Corte (Aislante): No hay corriente significativa entre colector y emisor. El transistor actúa como un circuito abierto.
• Estado Activo: Una pequeña corriente eléctrica fluye desde la base hacia el emisor, lo que permite que una corriente controlada y amplificada fluya desde el colector hacia el emisor. En este estado, el transistor funciona como un amplificador.
• Estado de Saturación: La corriente de base alcanza un cierto valor, y la corriente de colector a emisor llega a su valor máximo posible, sin incrementarse más significativamente con aumentos adicionales de la corriente de base. El transistor actúa como un interruptor cerrado.

Transistor IGBT

El Transistor Bipolar de Puerta Aislada (IGBT) es un dispositivo semiconductor de potencia que combina las ventajas de los transistores bipolares (BJT) y los MOSFET. Sus características principales son:

• Soporta tensiones elevadas (comúnmente superiores a 300 V).
• Controla intensidades de cientos de amperios.
• Consigue velocidades de conmutación relativamente altas, hasta 20 kHz o más.

Conexión de Transistores

Las formas básicas de conexión entre transistores para diversas aplicaciones son tres:

• En Serie
• En Paralelo
• En Cascada (Darlington)

Conexión en Serie

Conectar dos transistores en serie significa que el terminal de salida de corriente de un transistor se conecta con el terminal de entrada de corriente del otro. El objetivo principal de esta configuración es aumentar la tensión de ruptura o la capacidad de voltaje del conjunto.

• Para transistores PNP: Se conecta el colector del primer transistor con el emisor del segundo. De esta forma, la intensidad que circula por el colector del primer transistor es la misma que la intensidad de emisor del segundo transistor.
• Para transistores NPN: Se conecta el emisor del primer transistor con el colector del segundo. Para que el conjunto sea conductor, las bases de todos los transistores que lo forman deben estar polarizadas adecuadamente.

Conexión en Paralelo

La conexión en paralelo implica que se conectan entre sí todos los terminales de entrada de corriente (bases con bases, emisores con emisores) y, a la vez, se conectan entre sí todos los terminales de salida (colectores con colectores) de todos los transistores. El propósito principal es aumentar la capacidad de corriente total del conjunto.

• Para transistores PNP: Se deben conectar entre sí los dos emisores y, por otro lado, los dos colectores.
• Ventaja: Cuando un solo transistor esté polarizado, es suficiente para obtener corriente en la salida, aunque la corriente total se distribuye entre los transistores polarizados.

Conexión en Cascada (Darlington)

La conexión en cascada más común es la configuración Darlington. Consiste en dos transistores bipolares conectados de tal manera que la corriente amplificada por el primer transistor se convierte en la corriente de base del segundo transistor. Esto resulta en una ganancia de corriente total muy alta (el producto de las ganancias individuales de los transistores), lo que permite controlar grandes corrientes de colector con una corriente de base muy pequeña. Es ideal para aplicaciones de conmutación de alta potencia o amplificación de corriente.

Los Semiconductores

Los semiconductores son materiales y/o compuestos que, eléctricamente, no son ni conductores puros ni aislantes puros. Su conductividad eléctrica se encuentra entre la de un conductor y la de un aislante, y puede ser controlada mediante la adición de impurezas (dopado) o la aplicación de campos eléctricos o luz.

Se clasifican en dos tipos principales:

• Componentes Pasivos: Son aquellos que no requieren una fuente de energía externa para su funcionamiento y no introducen ganancia de potencia en el circuito. Ejemplos comunes incluyen la resistencia, el condensador y la inductancia. Estos no están formados por cristales dopados.
• Componentes Activos: Son aquellos que pueden controlar el flujo de corriente, introducir ganancia de potencia o realizar funciones de conmutación. Ejemplos incluyen el diodo, el transistor y el tiristor. Estos componentes están formados por cristales de silicio o germanio dopados con otros elementos químicos de las columnas III y V de la tabla periódica para crear uniones P-N.

La Resistencia

La resistencia es uno de los elementos más fundamentales y frecuentes en cualquier circuito electrónico. Sus principales funciones son:

• Limitar la intensidad de corriente eléctrica: De acuerdo con la Ley de Ohm (V = I * R), una resistencia limita la corriente que fluye a través de un circuito o una parte de él.
• Establecer cotas o límites a la tensión: Mediante divisores de tensión, las resistencias pueden establecer niveles de voltaje específicos en diferentes puntos de un circuito.

Resistencia Variable

Una resistencia variable es un componente pasivo cuyo valor de resistencia eléctrica puede ser modificado de forma mecánica. Ejemplos comunes son los potenciómetros y los reóstatos, utilizados para ajustar el volumen en equipos de audio, la luminosidad de una luz, o la velocidad de un motor.

Fotorresistencia (LDR)

Las fotorresistencias (LDR - Light Dependent Resistor) son resistencias construidas con un material semiconductor sensible a la luz (como el sulfuro de cadmio). Cuando una fotorresistencia recibe luz, su valor de resistencia interna disminuye significativamente, y cuando está en la oscuridad, su resistencia aumenta. Son utilizadas en sensores de luz, sistemas de iluminación automática y alarmas.