Transistores bipolares, FET, IGBT y tiristores: tipos, funcionamiento y ventajas

Resumen

El texto describe los principales tipos de transistores: bipolares, de efecto de campo (FET), IGBT y tiristores (SCR). Explica su funcionamiento, su uso como amplificadores o llaves y sus ventajas y desventajas frente a otros dispositivos. También incluye ejemplos de aplicación como el puente H y los controles de potencia.

Puntos clave

Los transistores bipolares tienen tres terminales (emisor, base y colector) y pueden funcionar como amplificadores o como llaves.
La corriente de colector copia a la de base y la amplifica por el factor hFE.
Los FET controlan la corriente mediante un campo eléctrico y tienen una resistencia de entrada muy alta.
Los IGBT combinan la ganancia de un bipolar con la alta impedancia de entrada de un FET y se usan en potencia.
El SCR (tiristor) conduce tras aplicar una tensión de disparo en la compuerta y deja de conducir cuando la corriente baja del valor de mantenimiento.
Los transistores de estado sólido no tienen partes móviles, no se desgastan y funcionan a gran velocidad.

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Transistores bipolares: dispositivo con resistencia interna que varía en función de la entrada; esto regula la corriente. Está formado por semiconductores, una parte p o n entre p o n. Tiene tres terminales (emisor, base y colector). Los de más potencia tienen recubrimientos más grandes y disipadores de aluminio. Estos se pueden usar como amplificadores, aumentando corrientes pequeñas hasta alimentar grandes cargas. Se usan como llaves, permitiendo o no la circulación de corriente.

Ventajas: evita el rebote de contactos, no necesita mantenimiento porque no se gasta, funciona a gran velocidad, son de estado sólido sin partes móviles, se pueden colocar muchas en chips.

Funcionamiento: transistor NPN en bloque, para amplificar polarización directa en base-emisor, inversa en colector-base. La corriente del emisor se divide (corriente colector similar a emisor, corriente base muy pequeña). La corriente de colector copia a la de base y amplifica por hFE.

Circuito de polarización: en práctica se usan baterías que proveen CC al transistor. Este se usa para ganancias elevadas. El puente H hace circular cargas en ambos sentidos, dependiendo de la señal de entrada. También se usan como llaves, haciendo que el motor rote en ambos sentidos.

Transistores de efecto de campo (FET): un dispositivo semiconductor que combina bajo consumo de potencia con una elevada impedancia. Controla la corriente mediante campo eléctrico. Existen FET y MOSFET.

Ventajas: tienen una resistencia de entrada muy alta, son inmunes a la radiación y son térmicamente estables.

Desventaja: su ganancia-ancho de banda es menor que un transistor bipolar. El FET consiste en una barra de silicio a la que se le conectan electrodos surtidos (S) y drenaje (D). La barra puede ser p o n; a ambos lados se forman uniones PN creando regiones de carga espaciales. El electrodo que forma unión con el canal se llama compuerta (G). (TB-FET) (emisor-surtidor) (base-compuerta) (colector-drenaje).

Llevan unión PN de compuerta con polarización inversa, así se crean regiones de carga dentro del canal, reduciendo la sección del mismo. Esta es mayor a la tensión que provoca la circulación de corriente entre D y S.

Si aumenta la polarización inversa, las cargas espaciales se ensanchan hasta generar el bloqueo del canal.

Transistores IGBT: son la combinación de un transistor bipolar por su ganancia y un FET por la alta impedancia de entrada. Es un transistor de potencia que puede trabajar con valores altos de V e I. Existen dos tipos: canal P y canal N.

Tiristor: también llamados SCR, es un dispositivo semiconductor de cuatro capas alternadas de p y n. En el gráfico se observa el comportamiento del SCR. Durante polarización inversa, es igual a un diodo rectificador normal, evita que el voltaje llegue a V de ruptura, evitando que se rompa. Al aplicar polarización directa, el SCR no conduce, hasta aplicar tensión positiva en (VG) a la compuerta, llamada tensión de disparo (VGI y VG2). Una vez disparado o cebado el SCR, la compuerta controla la conducción del dispositivo. Para volver al bloqueo, VAK disminuye hasta debajo de VH y la corriente debe ser inferior a la de mantenimiento. El SCR puede comportarse como llave que permite bloqueo o circulación de corriente por la carga.

Circuitos: estos controles de potencia tienen la ventaja de ser muy sencillos, pero la desventaja es que reducen el torque del motor controlado, lo que limita su aplicación. Se usan en cargas resistivas como sistemas de calefacción.

Preguntas frecuentes

¿Cuáles son las ventajas de los transistores bipolares?

Evitan el rebote de contactos, no necesitan mantenimiento porque no se gastan, funcionan a gran velocidad y son de estado sólido sin partes móviles. Además, se pueden colocar muchos en un mismo chip.

¿Cuál es la desventaja de los FET frente a los bipolares?

Su ganancia-ancho de banda es menor que la de un transistor bipolar. En cambio, tienen una resistencia de entrada muy alta, son inmunes a la radiación y son térmicamente estables.

¿Para qué se usa un SCR?

Se usa como llave que permite o bloquea la circulación de corriente por la carga. Una vez disparado, la compuerta controla su conducción.