OBJETIVO
Conocer mas a fondo el funcionamiento de los transistores así como también de los amplificadores operacionales y como son utilizados para la elaboración de circuitos.
Saber como son los diferentes tipos de transistores, amplificadores operacionales y acerca de sus características mas importantes.
INTRODUCCIÓN
Existe un elemento estrella en los sistemas electrónicos analógicos ese elemento es el amplificador operacional.
Con el se pueden amplificar señales, atenuarlas, filtrarla. Los sistemas de control analógico encuentra en el amplificador operacional un elemento de conmutación sumamente simple e incluso fue empleado para el diseño de computadoras analógicas, (de ahí el nombre de operacionales)
El conocimiento a nivel básico del amplificador operacional proporciona al diseñador una herramienta de valor incalculable.
Partir de un amplificador operacional sin ni siquiera conocer el funciona miento del transistor podría parecer un error. Sin en cambio esta consideración pierde importancia si tenemos en cuenta que en la actualidad el transistor como componente discreto ha quedado relegado a usos muy puntuales, siendo su coste similar al de un amplificador operacional.
Ante esta situación la respuesta correcta es disponer en primer lugar de los conocimientos necesarios para operar con amplificadores operacionales y posteriormente abordar la teoría clásica de transistor,por ser esta ultima mas compleja.
TRANSISTOR NPN Y PNP
TRANSISTOR
El transistor de unión bipolar es un dispositivo electrónico de estado solido consiste en dos uniones PN muy cercanas entre sí que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. La denominacion de bipolar se debe a que la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en una variedad de aplicaciones.
Un transistor de unión bipolar esta formado por dos uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De manera quedan formadas tres regiones
Emisor: que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportandose como un metal. Su nombre se debe a que esta terminal funciona como emisor de portadores de carga.
Base: la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector.
Colector: de extensión mucho mayor.
COMO FUNCIONA UN TRANSISTOR
TRANSISTOR NPN: es un de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras"N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor.
La mayor parte de los transistores utilizados son los NPN debido a que la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semi conductores , permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación.
Los transistores NPN consiste en una capa de material semicoductor dopado P (la "base") entre dos capaz de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuración emisor-común es amplificada en la salida del colector.
La flecha en en símbolo del transistor NPN esta en la terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo esta en funcionamiento activo.
TRANSISTOR PNP: el transistor de unión bipolar PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor.
Consiste en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capaz de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados por el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentaron atreves de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector
La flecha en el transistor PNP esta en el terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo esta en funcionamiento activo.
Consiste en una capa de material semiconductor dopado N entre dos capaz de material dopado P. Los transistores PNP son comúnmente operados por el colector a masa y el emisor conectado al terminal positivo de la fuente de alimentaron atreves de una carga eléctrica externa. Una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector
La flecha en el transistor PNP esta en el terminal del emisor y apunta en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el dispositivo esta en funcionamiento activo.
Transistor en corte o en saturación
El funcionamiento del transistor depende de la cantidad de corriente que pase por su base.
Cuando no pasa corriente por la base, no puede pasar tampoco por sus otros terminales; se dice entonces que el transistor está en corte, es como si se tratara de un interruptor abierto. El transistor está en saturación cuando la corriente en la base es muy alta; en ese caso se permite la circulación de corriente entre el colector y el emisor y el transistor se comporta como si fuera un interruptor cerrado.
Corte
Un transistor en corte tiene una corriente de colector (Ic) mínima (práctica mente igual a cero) y un voltaje colector emisor VCE) máximo (casi igual al voltaje de alimentaron).
Saturación
Si se aumenta la señal de entrada en amplificador operacional, aumentará también la salida. Pero hay un límite máximo al que puede llegar la salida (aproximadamente entre 1.5 y 2 voltios menos que la tensión entregada por las fuentes de alimentación). Después de esta tensión, aunque aumentemos la entrada la salida no aumentará
Entonces hay una señal de entrada máxima que hará que la señal de salida llegue también a su máximo. (máximo permitido por la fuente). Si señal de entrada es mayor a ésta se produce la saturación y la tensión de salida será recortada en los picos negativos y positivos.
Transistor como amplificador: un caso intermedio entre corte y saturación se produce cuando la corriente en la base no es tan pequeña como para cortar la corriente entre las terminales, pero tampoco tan grande como para permitirla pasar completamente.
El transistor funciona como un amplificador que nos proporciona entre el colector y el emisor un multiplo de la corriente que pasa por la base.
EJEMPLOS DE TRANSISTORES
TRANSISTORES BIPOLARES
Los transistores bipolares surgen de la unión de tres cristales de semiconductor con dopajes diferentes e intercambiados. Se puede tener por tanto transistores PNP o NPN.
Tecnológica mente se desarrollaron antes los transistores BJT que los FET. El transistor de unión bipolar, o BJT por sus siglas en inglés, se fabrica básicamente sobre un mono cristal de Germanio, Silicio o Arseniuro de galio, que tienen cualidades de semi conductores, estado intermedio entre conductores como los metales y los aislantes como el diamante.
Sobre el sustrato de cristal, se contaminan en forma muy controlada tres zonas, dos de las cuales son del mismo tipo, NPN o PNP, quedando formadas dos uniones NP. La zona N con elementos donantes de electrones (cargas negativas) y la zona P de aceptadores o “huecos” (cargas positivas).
Normalmente se utilizan como elementos aceptadores P al Indio (In), Aluminio (Al) o Galio (Ga) y donantes N al Arsénico (As) o Fósforo (P).
La configuración de uniones PN, dan como resultado transistores PNP o NPN, donde la letra intermedia siempre corresponde a la característica de la base, y las otras dos al emisor y al colector que, si bien son del mismo tipo y de signo contrario a la base, tienen diferente contaminación entre ellas (por lo general, el emisor está mucho más contaminado que el colector).
El mecanismo que representa el comportamiento semiconductor dependerá de dichas contaminaciones, de la geometría asociada y del tipo de tecnología de contaminación (difusión gaseosa, epitaxial, etc.) y del comportamiento cuántico de la unión.
TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO
Los transitores de efecto o FET tienen tres terminales denominadas puerta (o gate) a la equivalente a la base de BJT, y que regula el paso de corriente por las otras dos terminales, llamadas drenaje (drain) y fuente (source).
Tiene una barra de material semiconductor de silicio de tipo N o P. En los terminales de la barra se establece un contacto óhmico, tenemos así un transistor de efecto de campo tipo N de la forma más básica. Si se difunden dos regiones P en una barra de material N y se conectan externamente entre sí, se producirá una puerta. A uno de estos contactos le llamaremos surtidor y al otro drenador. Aplicando tensión positiva entre el drenador y el surtidor y conectando a puerta al surtidor, estableceremos una corriente, a la que llamaremos corriente de drenador con polarización cero. Con un potencial negativo de puerta al que llamamos tensión de estrangulamiento, cesa la conducción en el canal.
Asi como los transistores bipolares se dividen en NPN, y PNP , los de efecto de campo o FET poseen también dos tipos.Aquellos en los cuales la aplicaron del voltaje de gate o puerta produce un aumento de la resistencia al paso de la corriente, y aquellos en que dicha tensión la disminuye.
TRANSISTORES DE POTENCIA
Con el desarrollo tecnológico y evolutivo de la electrónica, la capacidad de los dispositivo semi conductores para soportar cada vez mayores niveles de tensión y corriente ha permitido su uso en aplicaciones de potencia. Es así actualmente los transistores son empleados en convertidores estáticos de potencia, principalmente inversores
TRANSISTOR DE CONTACTO PUNTUAL
Llamado también transistor de punta de contacto, fue el primer transistor capaz de obtener ganancia. Consta de una base de germanio, semiconductor para entonces mejor conocido que la combinacion cobre-oxido de cobre, sobre lo que apoyan muy juntas, dos puntas metálicas que contituyen el emisor y el colector.
La corriente de base es capaz de modular la resistencia que se ve en el colector, de ahí el nombre de "tranfer resistor". Se basa en efectos de superficie, poco conocidos. Es difícil de fabricar, frágil y ruidoso. Sin embargo convivio con el transistor de unión debido a su mayor ancho de banda.
FOTO TRANSISTOR
Los foto transistores son sensibles a la radiación electromagnética en frecuencias cercanas a la de la luz visible; debido a esto su flujo de corriente puede ser regulado por medio de la luz incidente. Un foto transistor es, en esencia, lo mismo que un transistor normal, sólo que puede trabajar de 2 maneras diferentes: • Como un transistor normal con la corriente de base (IB) (modo común) • Como foto transistor, cuando la luz que incide en este elemento hace las veces de corriente de base. (IP) (modo de iluminación).
AMPLIFICADORES OPERACIONALES
El amplificador operacional (AO), es un amplificador que posee, dos entradas activas referidas a masa (entrada diferencial); la entrada inversora (-), y la no inversora (+). tiene una salida y se alimenta con tensión simétrica (dos fuentes de tensión).
Las características del AO ideal son:
- Ganancia de tensión en lazo abierto (A0) infinita.
- Impedancia de entrada (Ze) infinita.
- Impedancia de salida (Zs) cero.
El A.O es un dispositivo amplificador cuyas características de funcionamiento se aproximan a las de un amplificador ideal. ganancia infinita, salida nula en ausencia de la señal de entrada, impedancia de entrada infinita, impedancia de salida, ancho de banda infinito y tiempo de subida nulo.
Como en el ejemplo el amplificador operacional posee dos entradas: una inversora (-) y otra no inversora (+) y una salida asimétrica referida a masa.
Si la señal se mete por la inversora, la señal de salida aparecerá invertida 180° respecto a la excitacion. La alimentacion se realiza por medio de dos fuentes simétricas una +Vcc, u otra -Vcc. Esta circunstancia permite centrar la señal de salida respecto al nivel de referencia f (masa)
Esquemas y configuraciones Externas.
El símbolo de un amplificador operacional es el siguiente :
Los terminales son:
Los Terminales son:
V+: Entrada no inversora.
V-: Entrada Inversora
Vout: Salida
Vs+: Alimentacion positiva
Vs-: Alimentación negativa.
Normalmente los pines de alimentación son omitidos en los diagramas eléctricos por razones de claridad.
Lazo Abierto:
Si no existe realimentación, la salida del AO será la resta de sus 2 entradas multiplicada por un factor. Este factor suele ser del orden de 100000 (que se considera infinito en cálculos con el componente ideal). Por lo tanto si la diferencia entre las 2 tensiones es de 1mV la salida debería de ser 100V. Debido a la limitación que supone no poder entregar más tensión de la que hay en la alimentación, el AO estará saturado si se da este caso. Si la tensión mas alta es la aplicada a la Terminal positiva la salida será la que corresponde a la alimentación Vs+, mientras que si la tensión más alta es la de la Terminal negativa la salida será la alimentación Vs-
Lazo Cerrado:
Se conoce como lazo a la retroalimentación en un circuito. Aquí se supondrá realimentación negativa. Para conocer el funcionamiento de esta configuración se parte de las tensiones en las 2 entradas exactamente iguales, se supone que la tensión en la Terminal positiva sube y por lo tanto la tensión en la salida también se eleva. Como existe la realimentación entre la salida y la Terminal negativa, la tensión en esta Terminal también se eleva, por tanto la diferencia entre las 2 entradas se reduce, disminuyéndose también la salida este proceso pronto se estabiliza y se tiene que la salida es la necesaria para mantener las 2 entradas, idealmente con el mismo valor.
Siempre que hay realimentación negativa se aplican estas 2 aproximaciones para analizar el circuito:
V+ = V-
I+ = I- = 0
Alimentación:
El amplificador operacional puede ser polarizado, tanto con tensiones simples como con tensiones simétricas, si utilizamos tensiones simples, a la salida no podremos conseguir valores menores de 0V. El valor de estas tensiones no suele ser fijo, dando los fabricantes un margen entre un máximo y un mínimo, no teniendo ninguna consecuencia en el funcionamiento del amplificador el valor de tensión que se escoja, únicamente las tensiones de salida nunca superaran las tensiones de alimentación.
Internamente el AO contiene un gran numero de transistores, resistores, capacitares, etc.
Hay varios tipos de presentaciones de los amplificadores operacionales, como el paquete dual en línea (DIP) de 8 pines o terminales. Para saber cual es el pin 1, se ubica una muesca entre los pines 1 y 8, siendo el numero 1 el pin que esta a la izquierda de una muesca cuando se pone integrado. La distribución de los terminales del amplificador operacional integrado DIP de 8 pines es:
- Pin 2: entrada inversora (-)
- Pin 3: Entrada no inversora (+)
- Pin 6: Salida (out)
Para alimentar un amplificador operacional se utilizan 2 fuentes de tensión:
- Una positiva conectada al Pin 7
- Una negativa conectada al Pin 4
También existe otra presentación con 14 pines, en algunos casos no hay muesca, pero hay un circuito pequeño cerca del Pin numero 1.
Esquema de la configuración interna del Amplificador Operacional:
GANANCIA
En un amplificador operacional configurado como amplificador no inversor, la señal a amplificar se aplica al pin no inversor (+) del mismo. Como el nombre lo indica, la señal de salida no está invertida respecto a la entrada
Del gráfico se ve que la tensión en R1 es igual a:
VR1 = [R1 / (R1 + R2)] x Vsal. (por división de tensión)
En operación normal la tensión entre las entradas (inversora y no inversora) es prácticamente cero, lo que significa que la entrada Ven es igual a VR1.
Entonces con Ven = VR1, y con la formula anterior:
Ven = [R1 / (R1 + R2)] x Vsal.
Despejando para Vsal / Vent (ganancia de tensión)
AV = Vsal / Ven = (R1 + R2 ) / R1 = R1 / R1 + R2 / R1
Entonces: AV = 1 + R2 / R1
De la anterior fórmula se deduce que la ganancia de tensión en este tipo de amplificador será de 1 o mayor.
VR1 = [R1 / (R1 + R2)] x Vsal. (por división de tensión)
En operación normal la tensión entre las entradas (inversora y no inversora) es prácticamente cero, lo que significa que la entrada Ven es igual a VR1.
Entonces con Ven = VR1, y con la formula anterior:
Ven = [R1 / (R1 + R2)] x Vsal.
Despejando para Vsal / Vent (ganancia de tensión)
AV = Vsal / Ven = (R1 + R2 ) / R1 = R1 / R1 + R2 / R1
Entonces: AV = 1 + R2 / R1
De la anterior fórmula se deduce que la ganancia de tensión en este tipo de amplificador será de 1 o mayor.
IMPEDANCIA
Impedancia de entrada Zi
Se define como la impedancia que el amplificador presenta a la fuente de excitacion conectada a una de las dos entradas y con la otra a masa.Zi varia con la temperatura y la frecuencia, suele darse para determinadas condiciones concretas. Evidentemente la variación de Zi modifica la ganancia del A.O.
Debido a que el A.O. es un amplificador de tensión, Zi debe de ser muy elevada con el fin de evitar cualquier efecto de carga sobre la etapa anterior de excitacion. El valor típico de la impedancia de entrada suele ser del orden de los Mega Ohmios.
Impedancia de salida Zo
Es la impedancia que presenta el A.O hacia una carga conectada a la salida. Una Zo elevada reduce la ganancia del A.O y puede dar lugar a que la etapa siguiente cargue el A.O. Por otro lado la impedancia de salida disminuye al aumentar la frecuencia de trabajo, ya que, en estas circunstancias disminuye.
Los valores normales a Zo son inferiores a 100 ohmios.
Los amplificadores operacionales son dispositivos electrónicos muy versátiles. Estos son ejemplos de la clase de dispositivos que se puede crear con un simple op.amp
OPAM INVERSOREn un op-amp ideal, la ganancia del amplificador inversor está dada simplemente por
Para resistencias iguales, tiene una ganancia de -1, y se usa en los circuitos digitales como buffer inversor
OPAM NO INVERSOR
Un Opamp no inversor como su nombre lo dice no invierte la señal de salida, presenta una ganancia mayor o igual que uno, de acuerdo al valor que tomen las resistencias RF y R1. La impedancia de entrada es alta (por el orden de Megas de Ohm o mas), con lo que se garantiza una baja potencia de entrada y la no distorsión de la señal de entrada. Tiene una baja impedancia de salida (por el orden de milis de Omh o menos), con lo cual se asegura que la totalidad de la señal de salida caerá en la RL.
Para balancear el circuito (Eliminar la corriente de Bias), basta con colocar una resistencia en serie a la entrada de valor igual al paralelo de RF y R1. Esta resistencia no afecta el análisis del Opamp no inversor.
En un op-amp ideal, la ganancia del amplificador no inversor está dada por Para balancear el circuito (Eliminar la corriente de Bias), basta con colocar una resistencia en serie a la entrada de valor igual al paralelo de RF y R1. Esta resistencia no afecta el análisis del Opamp no inversor.
EJEMPLOS DE AMPLIFICADORES OPERACIONALES
Amplificador inversor/no inversor
El propósito definitivo de cualquier amplificador es aumentar la señal de un circuito en particular. Lo que diferencia a los amplificadores operacionales de los otros es que realizan algunos procesos matemáticos adicionales a la señal mientras la amplifican. Un amplificador operacional no inversor es esencialmente el tipo "base" que incrementa la ganancia de una señal electrónica sin ningún otro proceso adicional. Un amplificador operacional inversor aumentará la ganancia de la señal y también revertirá la polaridad de la señal de salida, de positivo a negativo o viceversa.
Un seguidor de voltaje es usado para aumentar la señal de circuitos con voltajes variables. Aplica el mismo tipo de aumento de ganancia que el amplificador estándar, pero se rastrearán variaciones en la ganancia de entrada y se emparejarán por la señal de salida. Este tipo de circuitos son a menudo usados por delante de otros sistemas para prevenir el daño por cambios súbitos de voltaje.
Estas dos variedades de amplificadores operacionales realizan un proceso aritmético en la señal. Un amplificador operacional de resta saca una señal que es igual a la resta entre sus dos entradas. Un amplificador de suma combina diferentes voltajes de un número de entradas, y saca una ganancia basándose en los voltajes combinados. Cualquiera de estos circuitos puede ser configurado para operar como sistemas inversores o no inversores.
Las variedades más complejas de amplificadores operacionales son los integradores y diferenciadores. La suma de un capacitador al circuito significa que el integrador reacciona a cambios en el voltaje con el tiempo. La magnitud del voltaje de salida cambia, basándose en la cantidad de tiempo que un voltaje gasta apareciendo en la entrada. El diferenciador es lo opuesto a esto. El voltaje producido en el canal de salida es proporcional a la tasa de cambiode la entrada. Los cambios más grandes y rápidos en el voltaje de entrada producirán voltajes de salida más altos.
RESUMEN
El transistor es un gran aporte al campo del desarrollo cientifico y tecnologico, dado su amplia versatilidad y su gran aplicabilidad en la investigación y desarrollo
La importancia del amplificador operacional en la electrónica actual es que permite diseñar
bloques funcionales con un comportamiento que es independiente de las características del elemento amplificador. Con él se consigue diseñar circuito electrónico muy preciso y
estable aun cuando se utilice tecnología semiconductora que en sí es imprecisa e inestable.
La mayor parte del control y medida de los procesos industriales se realiza
mediante circuitos electrónicos, siendo el amplificador operacional (Amp. Op.) un
módulo básico de dichos circuitos de control.
Los cinco criterios basicos que describen al amplificador ideal son fundamentales, y a partir de estos se desarrollan los tres axiomas de la teoria de los amplificadores operacionales, los cules son:
La tension de entrada diferencial es nula.
No existe flujo de corriente en ninguno de los termianles de entrada.
En bucle cerrado, la entrada (-) sera regulada al potencial de entrada (+) o de referencia
CUESTIONARIO
- ¿Que es un transistor? El transistor de union bipolar es un dispositivo electronico de estado solido consiste en dos uniones PN muy cercanas entre sí que permite controlar el paso de la corriente a traves de sus terminales. La denominacion de bipolar se debe a que la conduccion tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en una variedad de aplicaciones.
- ¿De que esta compuesto un transistor? Un transistor de union bipolar esta formado por dos uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una region muy estrecha. De manera quedan formadas tres regiones: emisor, base y colector
- ¿En que consite en transitor NPN? consiste en una capa de material semicoductor dopado P (la "base") entre dos capaz de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuracion emisor-común es amplificada en la salida del colector.
- ¿Algunos tipos de transitores? Bipolares, FET, contacto puntual, fototransitores
- ¿Que es un amplificador operacional? El amplificador operacional (AO), es un amplificador que posee, dos entradas activas referidas a masa (entrada diferencial); la entrada inversora (-), y la no inversora (+). tiene una salida y se alimenta con tensión simétrica (dos fuentes de tensión).
- ¿Cuales son las características del AO ideal?
Ganancia de tension en lazo abierto (A0) infinita
Impedancia de entrada (Ze) infinita.
Impedancia de salida (Zs) cero.
- ¿Como es la impedancia de entrada? Se define como la impedancia que el amplificador presenta a la fuente de excitacion conectada a una de las dos entradas y con la otra a masa.Zi varia con la temperatura y la frecuencia, suele darse para determinadas condiciones concretas. Evidentemente la variación de Zi modifica la ganancia del A.O.
- ¿Como es la impedancia de salida?Es la impedancia que presenta el A.O hacia una carga conectada a la salida. Una Zo elevada reduce la ganancia del A.O y puede dar lugar a que la etapa siguiente cargue el A.O. Por otro lado la impedancia de salida disminuye al aumentar la frecuencia de trabajo, ya que, en estas circunstancias disminuye.
- ¿Tipos de amplificadores operacionales? inversor, no inversor, seguidor de voltaje, amplificadores de suma y resta e integradores.
BIBLIOGRAFIA
http://www.ecured.cu/index.php/Transistor
http://www.dte.us.es/ing_inf/ins_elec/temario/Tema%201.%20Amplificadores%20Operacionales.pdf
http://www.lcardaba.com/articles/opamps.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Amplificador_operacional
http://recursostic.educacion.es/secundaria/edad/4esotecnologia/quincena4/4q2_contenidos_5b.htm
http://iesvillalbahervastecnologia.files.wordpress.com/2008/04/transistores.pdf
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