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... 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.
El Transistor es un dispositivo electrónico semiconductor que cumple funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término "transistor" es la contracción en inglés de transferí resistor ("resistencia de transferencia"). Actualmente se los encuentra prácticamente en todos los enseres domésticos de uso diario: radios, televisores, grabadores, reproductores de audio y vídeo, hornos de microondas, lavadoras, automóviles, equipos de refrigeración, alarmas, relojes de cuarzo, computadoras, calculadoras, impresoras, lámparas fluorescentes, equipos de rayos X, tomógrafos, ecógrafos, reproductores mp3, celulares, etc.Sustituto de válvula termoiónica de tres electrodos o tríodo, el transistor bipolar fue inventado en los Laboratorios BEI de EE. UU. en diciembre de 1947 por Jon Bardeen, Walter Houser Brattain y William Bradford Shockley, quienes fueron galardonados con el Premio Nobel de Física en 1956.
El transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes dopadas artificialmente que forman dos uniones bipolares, el emisor que emite portadores, el colector que los recibe o recolecta y la tercera, que está intercalada entre las dos primeras, modula el paso de dichos portadores (base). A diferencia de las válvulas, el transistor es un dispositivo controlado por corriente y del que se obtiene corriente amplificada. En el diseño de circuitos a los transistores se les considera un elemento activo, a diferencia de los resistores, capacitores e inductores que son elementos pasivos. Su funcionamiento sólo puede explicarse mediante mecánica cuántica.
De manera simplificada, la corriente que circula por el "colector" es función amplificada de la que se inyecta en el "emisor", pero el transistor sólo gradúa la corriente que circula a través de sí mismo, si desde una fuente de corriente continua se alimenta la "base" para que circule la carga por el "colector", según el tipo de circuito que se utilice. El factor de amplificación logrado entre corriente de base y corriente de colector, se denomina Beta del transistor. Otros parámetros a tener en cuenta y que son particulares de cada tipo de transistor son: Tensiones de ruptura de Colector Emisor, de Base Emisor, de Colector Base, Potencia Máxima, disipación de calor, frecuencia de trabajo, y varias tablas donde se grafican los distintos parámetros tales como corriente de base, tensión Colector Emisor, tensión Base Emisor, corriente de Emisor, etc. Los tres tipos de esquemas básicos para utilización analógica de los transistores son emisor común, colector común y base común.
Modelos posteriores al transistor descrito, el transistor bipolar (transistores FET, MOSFET, JFET, CMOS, VMOS, etc.) no utilizan la corriente que se inyecta en el terminal de "base" para modular la corriente de emisor o colector, sino la tensión presente en el terminal de puerta o reja de control y gradúa la conductancia del canal entre los terminales de Fuente y Drenador. De este modo, la corriente de salida en la carga conectada al Drenador (D) será función amplificada de la Tensión presente entre la Puerta (Gate) y Fuente (Source). Su funcionamiento es análogo al del tríodo, con la salvedad que en el tríodo los equivalentes a Puerta, Drenador y Fuente son Reja, Placa y Cátodo.
Los transistores de efecto de campo, son los que han permitido la integración a gran escala que disfrutamos hoy en día, para tener una idea aproximada pueden fabricarse varios miles de transistores interconectados por centímetro cuadrado y en varias capas superpuestas.
Tipos de transistor:
TRANSISTOR DE PUNTA DE CONTACTO: Primer transistor que obtuvo ganancia, inventado en 1947 por J. Bardeen y W. Brattain. Consta de una base de germanio sobre la que se apoyan, muy juntas, dos puntas metálicas que constituyen el emisor y el colector. La corriente de emisor es capaz de modular la resistencia que se "ve" en el colector, de ahí el nombre de "transferí resistor". Se basa en efectos de superficie, poco conocidos en su día. Es difícil de fabricar (las puntas se ajustaban a mano), frágil (un golpe podía desplazar las puntas) y ruidoso. Sin embargo convivió con el transistor de unión (W. Shockley, 1948) debido a su mayor ancho de banda. Hoy día ha desaparecido.
TRANSISTOR DE UNIÓN BIPOLAR: BJT por sus siglas en inglés, se fabrica básicamente sobre un monocristal de Germanio, Silicio o Arseniuro de Galio, que tienen cualidades de semiconductores, 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.
El mecanismo que representa el comportamiento semiconductor dependerá de dichas contaminaciones, de la geometría asociada y del tipo de tecnología de contaminación (difusión gaseosa, epitelial, etc.) y del comportamiento cuántico de la unión.
Fototransistor, sensible a la radiación electromagnética, en frecuencias cercanas a la de la luz.
Transistor de unión unipolar.
Transistor de efecto de campo, FET, que controla la corriente en función de una tensión; tienen alta impedancia de entrada.
Transistor de efecto de campo de unión, JFET, construido mediante una unión PN.
Transistor de efecto de campo de compuerta aislada, IGFET, en el que la compuerta se aísla del canal mediante un dieléctrico.
Transistor de efecto de campo MOS, MOSFET, donde MOS significa Metal-Óxido-Semiconductor, en este caso la compuerta es metálica y está separada del canal semiconductor por una capa de óxido.
Transistores y electrónica de potencia
Con el desarrollo tecnológico y evolución de la electrónica, la capacidad de los dispositivos semiconductores para soportar cada vez mayores niveles de tensión y corriente ha permitido su uso en aplicaciones de potencia. Es así como actualmente los transistores son empleados en conversores estáticos de potencia, controles para motores y llaves de alta potencia (principalmente inversores), aunque su principal uso está basado en la amplificación de corriente dentro de un circuito cerrado.
El transistor frente a la válvula termoiónica
Antes de la aparición del transistor los ingenieros utilizaban elementos activos llamados válvulas termoiónicas. Las válvulas tienen características eléctricas similares a la de los transistores de efecto de campo (FET): la corriente que los atraviesa depende de la tensión en el borne de comando, llamado rejilla. Las razones por las que el transistor reemplazó a la válvula termoiónica son varias:
Las válvulas termoiónicas necesitan tensiones muy altas, del orden de las centenas de voltios, tensiones que son letales para el ser humano.
Las válvulas consumen mucha energía, lo que las vuelve particularmente poco útiles para el uso con baterías.
Probablemente, uno de los problemas más importantes es el peso. El chasis necesario para alojar las válvulas, los transformadores requeridos para suministrar la alta tensión, todo ello sumaba un peso importante, que iba desde algunos kilos a algunas decenas de kilos.
El tiempo medio entre fallas de las válvulas termoiónicas es muy corto comparado al del transistor, sobre todo a causa del calor generado.
Ademas las valvulas termoiónicas tardan mucho para poder ser utilizadas. Las vávulas necesitan estar calientes para funcionar.
Como ejemplo de todos estos inconvenientes se puede citar a la primera computadora digital, llamada ENIAC. Era un equipo que pesaba más de treinta toneladas y consumía 200 kilovatios, suficientes para alimentar una pequeña ciudad. Tenía alrededor de 18.000 válvulas, de las cuales algunas se quemaban cada día, necesitando una logística y una organización importantes.
Cuando el transistor bipolar fue inventado en 1947, fue considerado una revolución. Pequeño, rápido, fiable, poco costoso, sobrio en sus necesidades de energía, reemplazó progresivamente a la válvula termoiónica durante la década de 1950, pero no del todo. En efecto, durante los años 60, algunos fabricantes siguieron utilizando válvulas termoiónicas en equipos de radio de gama alta, como Collins y Drake; luego el transistor desplazó a la válvula de los transmisores pero no del todo de los amplificadores de radiofrecuencia. Otros fabricantes, de equipo de audio esta vez, como Fender, siguieron utilizando válvulas termoiónicas en amplificadores de audio para guitarras. Las razones de la supervivencia de las válvulas termoiónicas son varias:
El transistor no tiene las características de linearidad a alta potencia de la válvula termoiónica, por lo que no pudo reemplazarla en los amplificadores de transmisión de radio profesionales y de radioaficionados.
Los armónicos introducidos por la no-linealidad de las válvulas resultan agradables al oído humano por lo que son preferidos por los audiófilos
El transistor es muy sensible a los efectos electromagnéticos de las explosiones nucleares, por lo que se siguieron utilizando válvulas termoiónicas en algunos sistemas de control-comando de cazas de fabricación soviética.
SIMBOLOS Y SIGNIFICADOS
fototransistor
transistor de efecto de campo, de union (JFET)
transistor de efecto de campo, de metal oxido-semiconductor (MOSFET)
Los transistores de unión (uno de los tipos más básicos) tienen 3 terminales llamados Base, Colector y Emisor, que dependiendo del encapsulado que tenga el transistor pueden estar distribuidos de varias formas:
SISTEMAS DE ENCENDIDO
PARTES DEL SISTEMA DE
ENCENDIDO CON PLATINOS Y
CONDENSADOR
Al sistema de encendido
convencional lo forman:
1. Batería
2. Switch de encendido
3. Resistencia de balastra
4. Bobina (devanado primario)
5. Platinos
6. Condensador
7. Bobina (devanado secundario)
8. Placa portaplatinos
9. Bomba de vacío
10. Tapa del distribuidor
11. Distribuidor
12. Rotor
13. Leva
14. Cables de bujías
15. Bujías
IMPORTANCIA DEL SISTEMA DE ENCENDIDO
El sistema de ignición es muy
importante para el buen
funcionamiento del motor ya que
afecta de manera directa su consumo
de combustible y, por lo tanto, su
rendimiento. En algunos casos puede
ser que sea el culpable de dejarlo
“tirado” en la calle al no permitir que
su motor arranque.
Este sistema proporciona impulsos de
alto voltaje (de 20,000 a 40,000 volts)
entre los electrodos de las bujías en
el cilindro del motor. Estos impulsos
producen arcos eléctricos en el
espacio comprendido entre los
electrodos de la bujía, chispas que
inflaman la mezcla comprimida en la
cámara de combustión. Cada arco
eléctrico se sincroniza de manera que
salte cuando el pistón se aproxima al
punto muerto superior en la carrera
de compresión.
Es por ello importante conocer sus
componentes y la forma en la cual
funciona.
Este sistema puede afectar la
potencia de su motor, el arranque, su
sistema de control de emisiones y
otros.
Un sistema de ignición que no se le haga un correcto mantenimiento
puede producir los siguientes efectos:
• Falta de corriente en el arranque
• Debilitamiento del acumulador o
batería
• Mayor emisión de contaminantes
• Daño al convertidor catalítico por
una mala combustión
• Daño al motor de arranque o
“marcha”
• Daño a la bobina de encendido
• Daño al alternador
• Daño al portafusibles
Es, por todo esto, importante conocer
en qué consiste el sistema de
encendido, los cuidados mínimos que
se deben tener y las acciones que
pueden afectar de manera negativa al
sistema.
OBJETIVOS DEL SISTEMA
El sistema de ignición tiene varios
objetivos. Entre ellos, se pueden
mencionar los siguientes:
• Suministrar el voltaje necesario
para producir la chispa en las
bujías y generar la combustión en
los cilindros
• Generar la chispa en cada bujía
en el momento preciso (cuando el
pistón se encuentra en la parte
superior del cilindro y la mezcla
aire-combustible comprimida).
• Distribuir el alto voltaje a cada uno
de los cilindros
• Modificar el momento en el cual
se debe generar la chispa en cada
cilindro (tiempo de encendido
Para cumplir con estos objetivos
existen 2 tipos diferentes de sistemas
de ignición los cuales son muy
importantes y éstos son:
• Encendido convencional (platinos
y condensador)
• Encendido electrónico
SISTEMA DE ENCENDIDO CON
PLATINOS Y CONDENSADOR
Los antiguos sistemas de encendido
utilizaban unos contactos que abrían
y cerraban un circuito. A estos
elementos se les conocían como
platinos y tenían un condensador
para permitir el corte instantáneo de
corriente
Estos sistemas tenían las siguientes
desventajas:
1.- Necesidad de calibración de los
platinos (separación entre los
contactos).
2.- Desgaste de los platinos por el
continuo contacto físico.
3.- Al aumentar las revoluciones del
motor se perdía eficiencia en la
generación de la chispa.
4.- La duración de los platinos era de
aproximadamente 10,000 Km. (6
meses)
5.- No eran confiables (podían fallar
en cualquier momento)
FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
DE ENCENDIDO CON PLATINOS Y
CONDENSADOR
Cuando los platinos se cierran
la corriente fluye desde el acumulador
hasta los platinos pasando a través
del devanado primario de la bobina.
Inicialmente el flujo de corriente
empieza a incrementarse
rápidamente, apareciendo una fuerza
electromotriz en el devanado primario
que se opone a ella, hasta llegar a
una corriente máxima.
Una vez que la corriente fluye a
través del devanado primario, se
induce un campo magnético que
corta al devanado secundario
produciendo un alto voltaje en éste.
Debido a que la fuerza electromotriz
se opone al flujo de corriente, el
voltaje en el primario es de baja
intensidad, por lo que también en el
secundario el voltaje inducido es bajo
y no lo suficiente como para vencer el
dieléctrico entre los electrodos de las
bujías y producir el arco eléctrico.
El sistema esta diseñado de manera
que la corriente en el primario
alcance su máximo cuando los
platinos se abren. Con el circuito
primario abierto, el acumulador no
proporciona corriente a través de
aquel y el campo magnético de la
bobina se corta, este corte induce
una corriente en el primario que trata
de formar un arco en los platinos
abiertos, para mantener el flujo de
corriente. Si este flujo se mantuviese
el campo magnético decrecería
lentamente y no podría inducirse
suficiente voltaje a través del
devanado secundario.
PARTES DEL SISTEMA DE ENCENDIDO POR PLATINOS
Lo que se necesita es un corte
instantáneo del devanado primario
para inducir un alto voltaje en el
devanado secundario; para ello se
utiliza un condensador. El
condensador absorbe la corriente que
se induce cuando se abren los
platinos haciendo caer la corriente en
el primario repentinamente hasta cero
provocando el corte instantáneo
deseado.
SISTEMA DE ENCENDIDO
ELECTRÓNICO
Los sistemas de encendido
electrónico no tienen platinos y
condensador pero cuentan con
elementos que hacen la misma
función que ellos. En algunos casos
pueden ser el reluctor y la pastilla
magnética, el sensor óptico o el de
efecto Hall los que producen este
funcionamiento. Estos sistemas
permiten producir mayores voltajes
para generar la chispa en las bujías,
éste puede ser de hasta 40,000 volts,
además de que permiten tener mejor
respuesta a altas revoluciones. Son
mucho más confiables que los
sistemas de encendido con platinos y
condensador, ya que no requieren
calibración ni mantenimiento
periódico.
PARTES DEL SISTEMA DE
ENCENDIDO ELECTRÓNICO
Al sistema de encendido electrónico
lo forman:
1. Batería
2. Switch de encendido
3. Resistencia de balastra
4. Bobina (devanado primario)
5. Reluctor
6. Pastilla magnética
7. Bobina (devanado secundario)
8. Bomba de vacío
9. Tapa del distribuidor
10. Distribuidor
11. Rotor
12. Cables de bujías
13. Bujías
14. Módulo o unidad de
control electrónico ECU
15. Compensador de altura
16. Sensor de detonación
17. Computadora
FUNCIONAMIENTO DEL SISTEMA
DE ENCENDIDO ELECTRÓNICO
Cuando alguno de los dientes
del reluctor coincide con la pastilla
magnética, se envía una señal al
módulo de control electrónico el cual
permite que la corriente fluya desde
el acumulador hasta el devanado
primario de la bobina. Inicialmente el
flujo de corriente empieza a
incrementarse rápidamente,
apareciendo una fuerza electromotriz
en el devanado primario que se
opone a ella, hasta llegar a una
corriente máxima. Una vez que la
corriente fluye a través del devanado
primario, se induce un campo
magnético que corta al devanado
secundario produciendo un alto
voltaje en éste.
Debido a que la fuerza electromotriz
se opone al flujo de corriente, el
voltaje en el primario es de baja
intensidad, por lo que también en el
secundario el voltaje inducido es bajo
y no lo suficiente como para vencer el
dieléctrico entre los electrodos de las
bujías y producir el arco eléctrico.
El sistema está diseñado de manera
que la corriente en el primario
alcance su máximo cuando los
dientes del reluctor se alejen de la
pastilla magnética. Esto genera otra
señal en el módulo de control
electrónico que corta la corriente a la
bobina. Con el circuito primario
abierto, el acumulador no proporciona
corriente a través de aquél y el
campo magnético de la bobina se
corta; este corte induce un alto voltaje
en el devanado secundario. Este alto
voltaje es distribuido a cada una de
las bujías a través de sus respectivos
cables.
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