Transistor DarlingtonEl transistor Darlington es un tipo especial de transistor que tiene una alta ganancia de corriente.

Está compuesto internamente por dos transistores bipolares que se conectan es cascada. Ver la figura.

El transistor T1 entrega la corriente que sale por su emisor a la base del transistor T2.

La ecuación de ganancia de un transistor típico es: IE= β x IB (Corriente de colector es igual a beta por la corriente de base).

Entonces analizando el gráfico:- Ecuación del primer transistor es: IE1 = β1 x IB1 (1),- Ecuación del segundo transistor es: IE2 = β2 x IB2 (2)

Observando el gráfico, la corriente de emisor del transistor (T1) es la misma que la corriente de base del transistor T2. Entonces IE1 = IB2 (3)

Entonces utilizando la ecuación (2) y la ecuación (3) se obtiene: IE2 = β2 x IB2 = β2 x IE1

Reemplazando en la ecuación anterior el valor de IE1 (ver ecuación (1) ) se obtiene la ecuación final de ganancia del transistor Darlington.

IE2 = β2 x β1 x IB1

Como se puede deducir, este amplificador tiene una ganancia mucho mayor que la de un transistor corriente, pues aprovecha la ganancia de los dos transistores. (las ganancias se multiplican).

Si se tuvieran dos transistores con ganancia 100 (β = 100) conectados como un transistor Darlington y se utilizara la fórmula anterior, la ganancia sería, en teoría: β2 x β1 = 100 x 100 = 10000. Como se ve es una ganancia muy grande. En la realidad la ganancia es menor.

Se utilizan ampliamente en circuitos en donde es necesario controlar cargas grandes con corrientes muy pequeñas.

Muy importante: La caída de tensión entre la base y el emisor del transistor Darlington es 1.4 voltios que resulta de la suma de las caídas de tensión de base a emisor del primer transistor B1 a E1 (0.7 voltios) y base a emisor del segundo transistor B2 y E2 (0.7 voltios).

EL TRANSISTOR Lo Primero ¿Qué es un Transistor?

   El transistor, inventado en 1951, es el componente electrónico estrella, pues inició una auténtica revolución en la electrónica que ha superado cualquier previsión inicial. También se llama Transistor Bipolar o Transistor Electrónico.

   El Transistor es un componente electrónico formado por materiales semiconductores, de uso muy habitual, pues lo encontramos presente en cualquiera de los aparatos de uso cotidiano como las radios, alarmas, automóviles, ordenadores, etc. 

      Vienen a sustituir a las antiguas válvulas termoiónicas de hace unas décadas. Gracias a ellos fue posible la construcción de receptores de radio portátiles llamados comúnmente "transistores", televisores que se encendían en un par de segundos, televisores en color, etc. Antes de aparecer los transistores, los aparatos a válvulas tenían que trabajar con tensiones bastante altas, tardaban más de 30 segundos en empezar a funcionar, y en ningún caso podían funcionar a pilas debido al gran consumo que tenían. 

     Los transistores son unos elementos que han facilitado, en gran medida, el diseño de circuitos electrónicos de reducido tamaño, gran versatilidad y facilidad de control.

   En la imagen siguiente vemos a la izquierda un transistor real y a la derecha el símbolo usado en los circuitos electrónicos. Fíjate que siempre tienen 3 patillas y se llaman emisor, base y colector. Es muy importante saber identificar bien las 3 patillas a la hora de conectarlo. En el caso de la figura, la 1 sería el emisor, la 2 el colector y la 3 la base.

   Un transistor es un componente que tiene, básicamente, dos funciones:

   - 1. Deja pasar o corta señales eléctricas a partir de una PEQUEÑA señal de mando. Como Interruptor. Abre o cierra para cortar o dejar pasar la corriente por el circuito.

   - 2. Funciona como un elemento Amplificador de señales. Le llega una señal pequeña que se convierte en una grande.

   Pero el Transistor también puede cumplir funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador.

   Veamos como funciona un transistor.

   Funcionamiento del Transistor

   Un transistor puede tener 3 estados posibles en su trabajo dentro de un circuito:

   - En activa : deja pasar mas o menos corriente.

   - En corte: no deja pasar la corriente.

   - En saturación: deja pasar toda la corriente.

   Para comprender estos 3 estados lo vamos hacer mediante un símil hidráulico que es más fácil de entender.

   Lo primero imaginemos que el transistor es una llave de agua como la de la figura. Hablaremos de agua para entender el funcionamiento, pero solo tienes que cambiar el agua por corriente eléctrica, y la llave de agua por el transistor y ya estaría entendido (luego lo haremos). Empecemos.

   En la figura vemos la llave de agua en 3 estados diferentes. Para que la llave suba y pueda pasar agua desde la tubería E hacia la tubería C, es necesario que entre algo de agua por la pequeña tubería B y empuje la llave hacia arriba (que el cuadrado de líneas suba y permita el paso de agua). En el símil tenemos:

   B = base

   E = Emisor

   C = Colector

   - Funcionamiento en corte: si no hay presión de agua en B (no pasa agua por su tubería), la válvula esta cerrada, no se abre la válvula y no se produce un paso de fluido desde E (emisor) hacia C (colector). La válvula está en reposo y no hace nada.

   - Funcionamiento en activa: si llega (metemos) algo de presión de agua por la base B, se abrirá la válvula en función de la presión que llegue, comenzando a pasar agua desde E hacia C.

   - Funcionamiento en saturación: si llega suficiente presión por B se abrirá totalmente la válvula y todo el agua podrá pasar desde el emisor E hasta el colector C (la máxima cantidad posible). Por mucho que metamos más presión de agua por B la cantidad de agua que pasa de E hacia C es siempre la misma, la máxima posible que permita la tubería. Si metiéramos demasiada presión por B podríamos incluso estropear la válvula.

   Como ves una pequeña cantidad de agua por B permite el paso de mucho más agua entre E y C (amplificador).

   ¿Entendido? Pues ahora el funcionamiento del transistor es igual,  pero el agua lo cambiamos por corriente eléctrica y la llave de agua será el transistor.

   En un transistor cuando no le llega nada de corriente a la base, no hay paso de corriente entre el emisor y el colector (en corte), funciona como un interruptor abierto entre el emisor y el colector, ycuando tiene la corriente de la base máxima (en saturación) su funcionamiento es como un interruptor cerrado dejando pasar la corriente, entre el emisor y el colector. Además pasa la máxima corriente permitida por el transistor entre E y C. 

  El tercer caso es que a la base del transistor le llegue una corriente más pequeña de la corriente de base máxima para que se abra el transistor, entonces entre Emisor y Colector pasará una corriente intermedia que no llegará a la máxima.

   Como ves el funcionamiento del transistor se puede considerar como un interruptor que se acciona eléctricamente, por medio de corriente en B, en lugar de manualmente como son los normales. Pero también se puede considerar un amplificador de corriente por que con una pequeña corriente en la base conseguimos una corriente mayor entre el emisor y colector. Acuérdate del símbolo y mira la siguiente figura:

   Las corrientes en un transistor son 3, corriente de base Ib, corriente de emisor Ie y corriente del colector Ic. En la imagen vemos las corrientes de un transistor tipo NPN.

       

  Los transistores están formados por la unión de tres cristales semiconductores, dos del tipo P uno del tipo N (transistores PNP), o bien dos del tipo N y uno del P (transistores NPN). Puedes saber más sobre estas uniones aquí: Unión PN. Según esto podemos tener 2 tipos de transistores diferentes: PNP o NPN.

   Polarización de un Transistor

   Polarizar es aplicar las tensiones adecuadas a los componentes para que funcionen correctamente.

   Un polo P estará polarizado directamente si se conecta al positivo de la pila, el polo N estará polarizado directamente si se conecta al polo negativo. El revés estarían polarizados inversamente.

   Hay una gama muy amplia de transistores, por lo que antes de conectar deberemos identificar sus 3 patillas y saber si es PNP o NPN. En los transistores NPN se debe conectar al polo positivo el colector y la base, y en los PNP el colector y la base al polo negativo.

   La unión BASE-EMISOR siempre polarizado directamente, y la unión COLECTOR–BASE siempre polarizado inversamente en los dos casos. 

   Diferencias entre el transistor PNP y el NPN   Fíjate en los 2 tipos, la principal diferencia es que en el PNP la corriente de salida (entre el emisor y colector) entra por el emisor y sale por el colector. Fíjate que la flecha en el símbolo "pincha a la base". Una regla para acordarse es que el PNP pincha (la p del principio).   En el NPN la corriente entra por el colector y sale por el emisor, al revés. Si te fijas en la flecha la flecha "no pincha a la base". Según la regla NPN = no pincha (la N del NPN). Con esta regla te acordarás muy fácilmente si el símbolo es de un PNP o NPN. Recuerda pincha PNP, no pincha NPN.   Otra cosa muy importante a tener en cuenta, es la dirección de las corrientes y las tensiones de un transistor, sea NPN o PNP. Fíjate en la siguiente imagen. En este caso hemos puesto el emisor abajo y el colector arriba, no pasa nada es lo mismo, pero en algunos esquemas te los encontrarás de esta forma y es bueno verlos así también.

   Si te fijas, es fácil averiguarlas por intuición con la flecha del símbolo. Si es PNP lógicamente la I del emisor (IE) tendrá la dirección del emisor, por que entra por él. Por donde entran las corrientes estará el positivo de las tensiones. Si la corriente del emisor entra por el emisor (PNP), la tensión emisor colector tendrá el positivo por donde entre, es decir en el emisor, y se llamará Tensión emisor-colector (Ve-c). Si la corriente entra por el colector, o lo que es lo mismo sale por el emisor se llamara Tensión colector-emisor (Vc-e) y la corriente saldrá por el emisor. No te líes que es muy fácil, solo tienes que fijarte un poco, y no hace falta aprenderlas de memoria.

  Formulas del Transistor

   Si te fijas en un PNP la corriente que entra es la del emisor, y salen la del colector + la corriente de  la base, pero al ser la de base tan pequeña comparada con las otras dos, se puede aproximar diciendo que IE = IC. En realidad las intensidades en un transistor serían:

  IE = IC + IB; para los 2 tipos de transistores. Fíjate en la flecha del símbolo y las deducirás.

   Si nos dan 2 intensidades y queremos calcular la tercera solo tendremos que despejar.

   ¿Cómo serían las intensidades en corte? Pues todas cero.

   Otro dato importante en un transistor es la ganancia, que nos da la relación que hay entre la corriente de salida IC y la necesaria para activarlo IB (corriente de entrada). Se representa por el símbolo beta β.

    β = IC / IB

   La ganancia es realmente lo que se amplifica la corriente en el transistor. Por ejemplo una ganancia de 100 significa que la corriente que metamos por la base se amplifica, en el colector, 100 veces, es decir será 100 veces mayor la de colector que la de la base. Como la de colector es muy parecida a la del emisor, podemos aproximar diciendo que la corriente del emisor también es 100 veces mayor que la de la base.

   En un transistor que tenga una ganancia de 10, si metemos 1 amperio por la base, por el colector obtendremos 10 amperios. Como ves, el transistor también es un amplificador. Pero OJO imagina que el transistor que tienes solo permite como máximo 5 amperios de salida, ¿qué pasaría si metemos 1 amperio en la base? ¡¡¡Se quemaría!! por que no soportaría esa corriente de 10A en el colector.

   También es muy importante que sepas que la corriente del colector depende del receptor que tengamos conectado a la salida, entre el colector y el emisor. La corriente del colector será la que "chupe" ese receptor, nunca mayor. Si en el caso anterior el receptor fuera un lámpara que solo consumiera 3 amperios no pasaría nada, ya que entre el emisor y el colector solo circularían los 3 amperios que demanda la lámpara. Fíjate en el siguiente circuito: 

    La lámpara "chupa" 3 amperios, pues la corriente máxima que pasará entre emisor y colector, o lo que es lo mismo la corriente que circulará por el circuito de salida será 3A, nunca más de 3 Amperios, que es la que demanda la lámpara.

   En ese circuito para que la lámpara luzca necesitamos meter una pequeña corriente por la base para activar el transistor. Si no hay corriente de base la lámpara no lucirá, por que el transistor actúa como un interruptor abierto entre el colector y el emisor.

   De todas formas hay que fijarse muy bien en las corrientes máximas que aguanta el transistor que estemos usando para no quemarlo.

   Otro dato importante es la potencia máxima que puede disipar el transistor. Según la fórmula de la potencia: P = V x I, en el transistor sería:

   P = Vc-e x Ic  tensión colector-emisor por intensidad del colector.

   Tenemos que saber la potencia total que tiene el receptor o los receptores que pongamos en el circuito de salida para elegir un transistor que sea capaz de disipar esa misma potencia o superior, de lo contrario se quemaría.

   En el caso del circuito anterior P = 3A x 6V = 18w, con lo cual el transistor para el circuito deberá ser de esa misma potencia, mejor un poco mayor.

  Po último hablemos de las tensiones. Todos los transistores cumplen que Vcb + Vbe = Vce, es decir las tensiones de la base son iguales a la tensión de salida.

   El circuito básico de un transistor es el que ves a continuación:

   La resistencia de base sería la de 20KΩ (kilo ohmios) y la resistencia de 1KΩ sería el receptor de salida. Muchas veces se usa la misma pila para todo el circuito, como verás más adelante.

 

  Ejercicio con Transistores

   Los ejercicios con transistores, como ves por las fórmulas, suelen ser muy sencillos, pero alguno hay que se complica un poco.¿Hacemos un ejercicio complicado? Venga.   Un transistor de tipo npn y β= 100 se conecta de la siguiente manera: la base se conecta al terminal positivo de una pila de 5 V a través de una resistencia de 100 kohmios; el colector se conecta al terminal positivo de otra pila de 10 V a través de una resistencia de 100 ohmios el emisor se conecta a los terminales negativos de ambas pilas. En estas condiciones calcule la corriente de colector. tensión base-emisor 0,7A. Aquí tienes la solución:

  ¿No lo entiendes? Te lo explico:

   Si aíslas el circuito de entrada (el de la base) tenemos una pila de 5V con una resistencia de 100 Kohmios y la tensión de la base- emisor. Si I = V / R. Intensidad es igual a la tensión partido por la resistencia (ley de ohm).

   IB = (Vpila - Vb-e)/ Rb = (5-0,7)/ 100.000 = 4,3 x 10 elevado a menos 5 o lo que es lo mismo 0,000043A.

   La tensión de la Vb-e es contrario a la de la pila (recuerda los signos) y por eso se restan.

  Aplicando la fórmula de la ganancia β = IC/IB si despejamos la IC sería IC =β x IB= 0,0043A y ya está resuelto.

  En este circuito por el receptor de salida, cuando se activa el transistor, circulan 0,0043A. Pero fíjate para activar el transistor solo hace falta una corriente de base de 0,000043A, mucho menor.

   Si no te enteras no te vendría mal repasar las leyes de Kirchhoff.

   ¿Por qué la base siempre lleva una Resistencia?

   En todos los circuitos que veas con transistores verás que hay una Rb (resistencia de base) colocada en serie con la base. Su misión es proteger la base para que no le llegue nunca una corriente muy grande a la base y se queme el transistor. La Rb al estar en serie con la base limita la corriente que le llega a la base, de tal forma que no sea más grande que la que puede soportar la base. Recuerda I = V / R (ley de ohm), si no hubiera Rb la I sería infinito. Cuanto mayor sea la Rb menor será la IB.

1.4 Representación del punto de trabajo con la recta en carga estática

En la figura 1.8.b se muestra la representación gráfica del punto de trabajo Q del transistor, especificado a través de tres parámetros: ICQ, IBQ y la VCEQ.Este punto se encuentra localizado dentro de una recta denominada recta de carga estática: si Q se encuentra en el límite superior de la recta el transistor estará saturado, en el límite inferior en corte y en los puntos intermedios en la región lineal.Esta recta se obtiene a través de la ecuación del circuito que relaciona la IC con la VCE que, representada en las curvas características del transistor de la figura 1.8.b, corresponde a una recta.

La tercera ecuación de (1.17) define la recta de carga obtenida al aplicar KVL al circuito de polarización, de forma que

Para dibujar esta recta de una manera sencilla en el plano (VCE, IC) del transistor se selecciona dos puntos: a) VCE=0, entonces IC=VCC/RC; b) IC=0, entonces VCE=VCC. Estos puntos se pueden identificar en la figura1.8.b y representan los cortes de la recta de carga estática con los ejes de coordenadas.Una de las primeras decisiones relacionadas con la polarización de un transistor es seleccionar la situación del punto Q. La selección más práctica es situarle en la mitad de la recta de carga estática para que la corriente de colector sea la mitad de su valor máximo, condición conocida como excursión máxima simétrica.Evidentemente esta es una condición de diseño que asegurará el máximo margen del punto Q a incrementos de cualquier signo de la intensidad de colector. Sin embargo, hay muchas otras condiciones de operación del transistor que exige un desplazamiento de Q en uno u otro sentido. En estos casos la situación del punto Q estará definida por las diferentes restricciones.

Transistor en corte y saturación

Cuando un transistor se utiliza como interruptor o switch, la corriente de base debe tener un valor para lograr que el transistor entre en corte y otro para que entre en saturación

- Un transistor en corte tiene una corriente de colector (Ic) mínima (prácticamente igual a cero) y un voltaje colector emisor VCE) máximo (casi igual al voltaje de alimentación). Ver la zona amarilla en el gráfico

- Un transistor en saturación tiene una corriente de colector (Ic) máxima y un voltaje colector emisor (VCE) casi nulo (cero voltios). Ver zona en verde en el gráficoPara lograr que el transistor entre en corte, el valor de la corriente de base debe ser bajo o mejor aún, cero.Para lograr que el transistor entre en saturación, el valor de la corriente de base debe calcularse dependiendo de la carga que se esté operando entre encendido y apagado (funcionamiento de interruptor). Si se conoce cual es la corriente que necesita la carga para activarse (se supone un bombillo o foco), se tiene el valor de corriente que habrá de conducir el transistor cuando este en saturación y con el valor de la fuente de alimentación del circuito, se puede obtener la recta de carga. Ver gráfico anterior. Esta recta de carga confirma que para que el transistor funcione en saturación, Ic debe ser máximo y VCE mínimo y para que esté en corte, Ic debe ser el mínimo y VCE el máximo.*