Transistor NPN

Transistor NPN

El transistor NPN es un dispositivo electrónico que esta compuesto por tres regiones semi-conductoras inter-conectadas N-P-N.  Este elemento tiene por lo tanto tres pines de conexión. El transistor es bipolar. Las uniones PN o NP están compuestas por materiales semi-conductor. Un material semi-conductor puede funcionar como conductor y como aislante de acuerdo a la polarización eléctrica que se conecte.  El transistor NPN tiene dos funciones básicas, ser un interruptor electrónico o un amplificador. Este tipo de transistor también se puede clasificar como BJT.

El transitor NPN esta compuesto por tres capas de materiales semi-conductores, este arreglo es como un pastel de tres capas, Capa N-P-N. Estos materiales son cristales  de silicio que se encuentran dopados de forma distinta. Cuando un cristal de material semi-conductor, (Silicio ó Germanio), se ” dopa ” con Boro, produce un cristal semiconductor con sólo 3 electrones disponibles de 4, por lo tanto se genera un ” hueco ” eléctrico. En cambio, cuando el cristal es dopado con impurezas como arsénico, ( el arsénico tiene 5 electrones en su última capa ), el cristal se queda con un electrón de más. En resumen:

  • El material o capa N – tiene un electrón de más.
  • El material o capa P – le falta un electrón ( hueco ).

Estructura interna

El transitor NPN tiene tres pines de conexión llamados, Colector (C), Base (B) y Emisor (E). Estas tres conexiones están directamente sobre cada una de las capas semiconductoras N, P y N respectivamente. La figura-1, muestra la estructura interna del transistor. Una unión NP se le conoce también como diodo.

Transistor NPN

Figura-1. Estructura de un transistor NPN.

Material N

Las capas N  están formadas por cristales de un material semiconductor. Por ejemplo el Silicio, la capa N esta formada por cristales de silicio con impurezas. Estas impurezas pueden ser:

  • Arsénico
  • Fósforo
  • Antimonio

La Figura-2 muestra una estructura cristalina formada por silicio con impurezas de Arsénico y sus electrones libres.

 

Material N, estructura interna

Figura-2. Estructura cristalina del material N con una estructura de Silicio e impurezas de Arsénico.

Material P

El material P esta formado por cristales de Silicio o cualquier otro material semi-conductor como el Germanio e impurezas como el boro. El boro al tener sólo tres electrones en su última capa provoca un hueco al unirse a un cristal de silicio. La Figura-3 muestra una estructura cristalina de material P.

Material P, estructura interna del cristal

Figura-3.  Diagrama de la estructura cristalina del material P, Silicio dopado con impurezas como el boro. Este material presenta ” huecos “, es decir que cuando hay un electrón libre intentará ocupar el espacio para completar el enlace covalente.

 

Símbolo de un transistor NPN

El símbolo de un transistor NPN incluye a los tres pines antes mencionados, el Colector, Base y Emisor. Este sería el diagrama más usado para este tipo de transistor. Algunos transistores más comunes NPN de pequeña señal son: 2N2222 y 2N3904. SI se requiere de mayor potencia, se puede usar un TIP21C. En las hojas de datos se encuentra especificada la ubicación de cada uno de estos tres pines.

Símbolo de un transistor NPN

Figura-4. Símbolo de un transistor NPN.

 

Aplicaciones del transistor NPN

Un transistor NPN puede ser usado para dos cosas. El transistor puede funcionar como un interruptor controlado electrónicamente o como un amplificador con ganancia variable. El transistor es también la base para el desarrollo de sistemas digitales como compuertas lógicas. Las compuertas lógicas son la base de los sistemas embebidos. Entonces podemos plantear que el transistor es la base de la tecnología digital actual. Regresando a las aplicaciones comunes, la más usada es el uso del transistor NPN como interruptor electrónico, para este funcionamiento, el transistor debe de operar en las zonas llamadas corte y saturación.

 

Resumen

Un transitor NPN es principalmente un interruptor digital que también puede funcionar como amplificador. Esta formado por cristales de cuarzo que tienen impurezas. Cuando estas impurezas son Boro, se le conoce como material P. Cuando las impurezas son por ejemplo, Arsénico, se le conoce como material N. Estos dos cristales poseen electrones de más y carecen de electrones lo que permite hacer fluir una corriente bajo ciertas condiciones eléctricas.

Fuentes:  http://www.pitt.edu/~qiw4/Academic/ME2082/Transistor%20Basics.pdf

Diodo Semiconductor de Silicio

¿Que es el diodo?

El diodo es un dispositivo fabricado de material semiconductor. Los materiales semiconductores del diodo están dopados o contaminados con impurezas, de tal manera que insertan una cantidad de huecos o electrones en el material. El material con mas electrones se le conoce como tipo n. El material con mas huecos se le conoce como tipo p. Se les conoce como portadores mayoritarios a los huecos o electrones excedentes, estos portadores mayoritarios son los principales encargados de la conducción. A continuación se presentan las figuras de un diodo de empaquetado PTH axial y el símbolo electrónico del diodo.

Diodo sin polarización – No voltaje externo

Cuando el material tipo n y p se unen, los electrones y huecos cercanos a la unión se recombinan. Esto provoca que disminuya la cantidad de portadores libres cerca de la unión. Esta región con pocos portadores libres, se le conoce como región de agotamiento o empobrecimiento.

Diodo polarizado

Sin polarización

Diodo en polarización en inversa – Voltaje externo

Considerando la aplicación de un voltaje externo en la unión de materiales p-n, en donde la terminal positiva esta conectada al material tipo n. El numero de iones positivos en el material n se incrementa en la unión, esto debido a la gran cantidad de electrones libres en la unión en el material p. Igual con los iones negativos y los huecos. El efecto final, es un incremento en la región de empobrecimiento. Una barrera tan ancha que los portadores mayoritarios no pueden pasar a través de esta. Sin embargo, los portadores minoritarios generan una corriente muy pequeña, esta corriente se le conoce como corriente inversa de saturación Is. Is suele tener valores de micros.

Diodo polarizado

Polarización inversa

Diodo en polarización en directa – Voltaje externo

La polarización directa es cuando el diodo se conecta en su terminal p a el positivo y su terminal n al negativo de la fuente. Esta configuración de polarización “empujará” a los huecos en el material tipo p y a los electrones al material tipo n. De tal manera que estos se recombinarán cerca del limite por lo que se reducirá la región de agotamiento. El flujo de portadores minoritarios sigue igual que en Is. En polarización directa, el flujo depende principalmente en los portadores mayoritarios. Debido a la región de empobrecimiento reducida, y a la atracción del potencial contrario al material, se incrementa la corriente que fluye a través del diodo.

Diodo polarizado

Polarización directa

Para esta polarización podemos demostrar por medido de las características generales de un diodo semiconductor con la siguiente ecuación:

Fuente: https://es.wikipedia.org/wiki/Diodo

 

En donde

Is Es la corriente de saturación inversa.

Vd es el voltaje de polarización en directa.

n es un factor de idealidad. n=1.

Vt Voltaje terminco Vt=kT/q

k constante de Boltzmann = 1.38×10-23 J/K

T temperatura absoluta en Kelvin = 273 + Temperatura en ºC

q magnitud de carga del electrón = 1.6×10-19 C.




Evaluando la ecuación en MatLab, tenemos las siguientes figuras en donde podemos observar rangos de 0V a 1V y de 0.65V a 0.75V para visualizar mejor la zona donde el diodo comienza a conducir. Al final el este dispositivo semiconductor se considera como un simple elemento que conduce a partir de un determinado voltaje. Para el silicio es de 0.7 y para el germanio es de 0.3V. El código de Matlab se corre en un script. De igual manera aplica par el LED.

Código Matlab para curva de Diodo

El diodo semiconductor es un dispositivo electrónico de gran importancia.  Además de su gran cantidad de aplicaciones, son la base de los transistores. Recordemos que un transistor se forma de la unión de tres materiales semiconductores.

Transistor BJT corte y saturación en emisor común

Transistor BJT corte y saturación en emisor común

Transistor bjt

Un transistor BJT en un dispositivo electrónico capas de entregar una señal eléctrica de salida proporcional a una señal de entrada.  Un transistor es un dispositivo semiconductor que consta de tres capas de semiconductor. Las capas de semiconductor se dopan de acuerdo a la estructura del mismo. El transistor de unión bipolar o transistor BJT, puede configurarse como NPN o PNP de acuerdo al orden de sus capas. Las terminales de un transistor BJT son E de emisor, B de base y C de colector. El termino bipolar hace referencia a que los huecos y los electrones participan en el proceso de inyección hacia el material opuestamente polarizado. Se puede modelar como la unión de 2 diodos.

Puede encontrar transistor en nuestra tienda virtual de HETPRO.

La configuración que veremos en este tutorial para el transitor BJT es la del emisor común. Se pretende evaluar su comportamiento en corte y saturación. Este modo de comportamiento es también conocido como interruptor o transistor como interruptor.

 

Transistor BJT como interruptor

Transistor bjt

Primero que nada, tenemos que considerar que el transistor que seleccionemos tiene una beta ó hfe determinada. Este valor de ganancia de corriente lo podemos encontrar en la hoja de datos. Por ejemplo para un transistor con las siguientes características queremos controlar una barra de LEDs de 12V. La salida para activar nuestra barra es un Arduino o microcontrolador.

VCC=12V – La fuente de alimentación del LED.

VBB=5V – La fuente de alimentación de control (Arduino).

hfe=200 – Ganancia de corriente del transistor.

El transistor se encuentra en la región de corte cuando IC=0. Para dejar en cero la corriente de colector, se requiere tener en cero la corriente de base IB. Esta sera cero cuando VBB=0. El transistor se encuentra en saturación cuando el voltaje colector emisor sea de cero VCE=0. Cuando VCE=0, podemos determinar el valor de la corriente de saturación de colector ICsat=VCC/RC.

Si ICsat=250 mA

Para RC=VCC/ICsat=12V/250mA=48 Ohms.

Entonces ICsat=hfe*IB

Por lo tanto:

IB=ICsat/hfe=250mA/200=1.25mA (Para asegurar el estado de saturación, evitando efectos intrínsecos del transistor podemos multiplicar la ganancia por 5).

IB=5*ICsat/hfe=5*250mA/200=5*1.25mA= 6.25mA.

Considerando la malla de la entrada, podemos determinar el valor adecuado para RB.

VBB=IB*RB+VBE

RB=(VBB-VBE)/IB

Sustituyendo:

RB=(5V-0.7V)/6.25mA= 688 Ohms.

Por lo tanto la configuración nos queda:

RB=688 Ohms

RC=48 Ohms.

 

Como detalle siempre se recomienda medir físicamente el voltaje base emisor, VBE para que el análisis analítico sea el correcto.

 

Región de corte y saturación

Para determinar la corriente de saturación, consideramos el voltaje colector emisor de la malla de salida igual a cero. Por lo tanto:

VCC=IC*RC+VCE | VCC=IC*RC+0

IC=VCC/RC

Para determinar el corte, consideramos que la cooriente de base es igual a cero, por lo tanto la corriente de colector es igual a cero:

VCC=IC*RC+VCE | VCC=0*RC+VCE

VCE=VCC

Con estos dos puntos determinamos la recta de carga del transistor. La región central se llama, región activa. Las regiones del extremo son regiones de saturación y de corte.

https://i0.wp.com/upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/3/33/Current-Voltage_relationship_of_BJT.png/458px-Current-Voltage_relationship_of_BJT.png?w=584&ssl=1

Fuente: https://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistor

 

Por ultimo, considerando una carga de RC=6 Ohms y un voltaje de colector VCC = 2V y requiero 400mA para activar esta carga.  La señal de entrada son de 3V. Por lo tanto tenemos que calcular la corriente de base para un transistor con una hfe de 160.

IB=IC/hfe=400mA/160=2.5mA. Para asegurar la región de saturación se recomienda multiplicar la IB por 5. Por lo que nos quedaría en:

IB=12.5mA

Por lo tanto la resistencia de base

VCC = RB*IB+VBE

RB = (VCC-VBE)/IB = (3V-0.7V)/12.5mA = 184 Ohms. Debido a que no existe una de 184 podemos bajar un poco a un valor comercial, por ejemplo 180 Ohms.

 

Si tienes alguna duda o comentario, déjalo en los comentarios.  Y te recordamos que siempre puedes encontrar productos electrónicos en nuestra tienda virtual. En este caso una gama de transistores.

Transistor BJT

 

 

Ley de Ohm – Voltaje Corriente y Resistencia

Ley de Ohm

Ley de Ohm es una teoría básica para explicar cómo se comporta la electricidad. Para esto debemos tener en cuenta tres conceptos que conforman en la electricidad.

  1. Intensidad o corriente.
  2. Voltaje.
  3. Resistencia.

La definición de estos conceptos es:

  • Intensidad: Es la circulación de electrones que va de un punto a otro. Su unidad de medición son los amperios.
  • Voltaje: Es la fuerza que deja a los electrones que puedan tener movimiento a través del material conductor. Su unidad de medición son los voltios.
  • Resistencia: Es la obstrucción que se le presenta a los electrones dentro de un conducto. Su unidad de medición son los ohmios.

La fórmula dice que la intensidad que circula por un conductor de electricidad es directamente suministrada a la variación de voltaje y paralela e inversamente a la resistencia. Su importancia es debido a que en un circuito se puede saber desde antes la forma en que va funcionar antes de conectar. Teniendo en cuenta la información de dos de los tres elementos que se manejan. Las fórmulas para saber con anticipación como funcionara tu circuito son las siguientes:

ley de ohmFigura 1. formulas que conforman la ley de Ohm.



Comportamiento de la corriente con otros elementos

grafica de reaccion de corriente cuando hay voltaje

En esta figura representamos el eje vertical como la corriente y la horizontal es el voltaje. La línea azul explica como la corriente aumenta en cuanto se le va agregando más voltaje y caso contrario es que va disminuyendo.

grafica de reaccion de corriente cuando hay resistencia

En esta figura se representa el eje vertical como la corriente y la horizontal como la resistencia. La línea naranja nos muestra que cuando no hay resistencia la corriente tiende a llegar a infinito, pero cuando ya se le va agregando más resistencia hay una disminución de corriente que tiende a llegar muy cerca de cero.

Hasta el momento todavía no existe ningún dispositivo que pueda soportar la corriente infinita, ya que solamente pueden aguantar cierta cantidad de amperaje. Al hacer que un conductor tenga flujos muy altos de corriente que no alcancen a soportar hace que se fundan, saquen chispas o quemen debido a que no pueden almacenar tanta energía, a este fenómeno se le llama corto circuito.

Resistores

La resistencia tiene una amplia gama de cantidades, los cuales tienen colores diferentes y eso es lo que determina el valor de ohmios que hay en el resistor.

La resistencia es una opción para tener un control sobre la corriente y causar una baja de voltaje. La forma de conexión en que tú pongas tus resistencias puede cambiar el valor.

Conexiones en serie y paralelo

Conexión en serie

conexion en serie

La conexión en serie se da cuando juntamos una pata de la resistencia con otra, sin que haya algo que obstruya el flujo de corriente entre estas. Su principal característica es que solo sigue un camino en la conducción de electricidad.

Conexión en paralelo

conexion en paralelo

La conexión en paralelo se da cuando dos resistencias unen sus patas entre si abriendo más caminos para que la corriente llegue a tierra.

Resistor equivalente

La resistencia equivalente es con la que podemos deducir un solo valor agrupando varios resistores según su conexión. Esto no cambia el valor de la corriente ya que solo se reemplaza toda una serie de resistores a una sola.

Resistor equivalente en circuito serie

Si queremos sacar la resistencia equivalente de 3 resistores solo bastaría sumar las resistencias.

Por ejemplo: tenemos un resistor de 1kOhm otro de 330Ohms y uno más de 220Ohms.

ejemplo de resistencia equivalente en serieSi queremos saber su resistencia equivalente seria sumar 1000+330+220. Su resistencia equivalente seria 1550Ohms haciendo la suma de un solo resistor.resistencia equivalente en serie

Resistor equivalente en circuito paralelo

En el caso de un circuito en paralelo sacar la resistencia equivalente es diferente.

formula para sacar resistencia equivalente en circuito paraleloejemplo de resistencia equivalente en circuito en paraleloSustituyendo valores seria que:

resistencia equivalente en circuito paraleloEn comparación con el circuito en serie la cantidad de resistencia es menor porque se divide la corriente.

Con estas operaciones de  resistencias ya es posible que puedas calcular un circuito con la ley de Ohm.



Código de colores de resistencia

Código de colores de resistencia

Introducción

En la actualidad existen una gran variedad de resistencias, son  indispensables para los circuitos que utilizamos hoy en día. Analizaremos el código de colores en las resistencias para averiguar los valores que tienen. Este código es de gran utilidad debido a que no siempre tendremos un aparato para medir nuestras resistencias. Recordemos que la unidad de medida de estos componentes es el Ohm. El código de colores de resistencia nos indica cuantos Ohms tiene esa resistencia. Además nos indica otros parámetros que veremos a continuación.

Hay resistencias que sus valores vienen impresos sobre ellas, ya que tienen un tamaño grande. Pero cuando son muy pequeñas es más difícil, de manera que es mejor utilizar un código de colores en las resistencias para que allá una mejor facilidad de manejar el componente.

 Resistencias de 4 y 5 bandas

código de colores de resistencia de 4 bandas
Estas resistencias cada color representa un valor, como en el caso de la primera (1) le agregaremos su valor con la tabla inferior.

Las primeras dos bandas establecen el valor del resistor como en el caso del primer color es  (verde) observamos en la tabla el color equivale a 5 entonces es  la primer cifra.  Luego la segunda banda es de color  (blanco) observamos de nuevo en la tabla su valor es 9 esta seria la segunda cifra. La tercera es el multiplicador en esta es la que nos  indicara los ceros  al final,  la tercera es de color  café esta vale un 0 y posteriormente encontraremos su  valor que es 590 Ohm.



Tabla de colores  de las resistencias

Tabla de código de colores de resistencia

La cuarta banda de color dorado que es la tolerancia, es donde la resistencia tiene un porcentaje. En el cual el valor de la resistencia se puede encontrar entre  un valor máximo y un mínimo.Como la resistencia es de 590 Ohm pero tiene una tolerancia de 5%. Entonces su valor máximo sería 619.5 Ohm y el valor mínimo 560.5 Ohm.

La resistencia tendría cualquier  valor que  estaría entre el rango del valor máximo y mínimo (619.5 – 560.5). Entonces no sería precisamente los 590 Ohm, a causa de la tolerancia. También en  código de colores de resistencia, en la banda de la tolerancia para no utilizar tantos ceros simplificamos con múltiplos una K (Kilo) o M(Mega). ya que hay veces que  es necesario hacer alguna operación y  podríamos confundirnos con demasiados ceros, la K equivalen 3 ceros y la M 6 , existen mas múltiplos pero estos son los comunes. Un ejemplo con una resistencia de 1000 Ohm  esta seria 1k 0hm, otra de 4700 esta aplica igual se pone 4 luego un punto esto para indicar que ya no son miles 4.7K entonces para una de 1000,000 esta es 1M 0hm.

También están las resistencias de 5 bandas, para estas aplica lo mismo lo que cambia es la multiplicadora sería la cuarta banda, las tres primeras bandas son los valores a indicar cuál es la necesaria y la quinta es la tolerancia.

Código de colores en las resistencias 5 bandas

Si la resistencia tiene la tolerancia mínima se obtendrá más cercano al valor deseado.

¿Cuál es la causa de que existan estas tolerancias?

Porque hay valores de resistencias en los circuitos,  que  no son muy comunes, entonces es muy difícil encontrarlas en el mercado. Con la tolerancia te pueden ser útil para  llegar aproximado  al valor deseado a la hora de realizar un proyecto.

Los valores comerciales mas comunes son de 100, 220, 330, 1K, 4.7k y 10k.

código-de-colores-de-resistencia

 

 

 

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