CONFIGURACIONES BÁSICAS DEL TRANSISTOR

10.0. APLICACIONES DE LOS TRANSISTORES

Llegado el momento de seleccionar una configuración para un determinado circuito transistorizado hemos de tener en cuenta tanto las condiciones de funcionamiento extremas, requeridas por dicho circuito, como la configuración más idónea para conectar el transistor empleado. Aunque el futuro del transistor, tal y como hoy lo conocemos, no está tan claro.

Al diseñar un circuito electrónico que incorpore transistores y cierta dosis de complejidad no bastará con los conocimientos básicos sobre la polarización o el cálculo asociado a un circuito de transistor en modo emisor común. Debemos, en este punto, decantarnos también por un determinado encapsulado, como ya hemos visto asociado íntimamente a la potencia manejada por el circuito donde trabaje el citado transistor y por uno de los tres tipos posibles de configuración, a saber: Emisor común (E.C.), base común (B.C.) y colector común (C.C.).

Como quiera que el transistor posee tres patillas, lo normal suele ser que una de ellas reciba la señal de entrada, la otra la de salida y la tercera sea común a ambas señales. Cada una de estas configuraciones recibe un nombre que, dependerá del punto en común que guarde la señal de entrada y la de salida. Cabe pues suponer que en la configuración de emisor común el emisor es la patilla que está permanentemente en contacto con la señal de entrada y de salida, y de forma similar ocurre con las demás configuraciones tanto en base como en colector común, tomando el relevo en cada caso la patilla de base y la de colector respectivamente.

10.1. Parámetros, ventajas y aplicaciones.

La utilización de uno de los tres tipos de configuraciones dependerá en gran medida de lo que cada una de ellas aporte como ventajoso a la hora de trabajar, es decir, elegiremos de forma que aprovechemos las características más sobresalientes de cada montaje. Vamos ahora a dar un breve repaso a estas características para razonar de forma clara el porqué de las aplicaciones de uno u otro montaje.

Entre los parámetros de interés podemos destacar:

- Ganancia de corriente en cortocircuito:

Uno de los parámetros que han de tenerse en cuenta a la hora de comparar las diversas configuraciones es la denominada "ganancia en cortocircuito".

Este término se utiliza en circuitos amplificadores también como "ganancia de señal" y hace mención a la relación existente en la corriente de salida y la corriente de entrada ante muy pequeñas variaciones en esta última (se supone que no existe resistencia en el circuito de salida y que la tensión V_BC se mantiene constante).

- Impedancia de entrada:

Como su nombre indica no representa más que la resistencia interna que ofrece el montaje de transistor tratado a la señal que aparece en su entrada.

La impedancia de entrada es un factor donde la conexión de transistores en modo colector común se lleva el gato al agua.

- Impedancia de salida:

En este caso, se trata de la resistencia interna en los terminales de salida del circuito transistorizado.

La conexión de un circuito de transistor en modo base común posee las mejores características desde el punto de vista de la Z de salida.

- Ganancia o amplificación de tensión:

Cifra la relación o cociente entre la tensión de salida y la de entrada.

- Ganancia o amplificación de corriente:

Es, en este caso, la relación entre la intensidad de salida y la de entrada.

- Ganancia o amplificación de potencia:

Refleja el cociente entre la potencia disponible a la salida del transistor y la de entrada.

Debido a las particularidades que podemos encontrar, dentro de cada una de las tres configuraciones disponibles, podemos deducir ya que cada una de ellas será algo más adecuada que las otras dos para una aplicación determinada. A manera de resumen, y de modo orientativo, vamos a comentar las aplicaciones más usuales de cada una de las conexiones posibles.

La configuración de emisor común es, además de la más utilizada, la de mejor asimilación desde el punto de vista teórico. Desde la perspectiva de las ventajas a aportar podemos destacar que sus características medias son las mejores, tanto en amplificación de tensión como de corriente, lo cual se traduce, a su vez, en una amplificación de potencia bastante aceptable. Otro punto a tener en cuenta en esta configuración es el mínimo desequilibrio existente entre las impedancias de entrada y salida. Todo ello conlleva el que sea el circuito de más sencilla adaptación a cualquier diseño y, por tanto, el más utilizado. Resulta especialmente adecuado en el acoplamiento entre diferentes etapas.

El conexionado en modo de base común guarda su principal ventaja en su frecuencia máxima de operación, la cual es bastante elevada. Esto hace que su uso en amplificadores de alta frecuencia sea relativamente frecuente. Otra aplicación típica para este montaje es su utilización como adaptador de impedancias.

El montaje en colector común ofrece dos características de relieve. Por un lado su distorsión es baja, y por otro resulta la configuración idónea para trabajar como transformador de impedancias, debido principalmente a la relación entre la elevada impedancia de entrada frente a la reducida impedancia que ofrece a su salida.

Un montaje especial en colector común es el par "Darlington". Podemos encontar transistores que incorporan este par dentro de un único encapsulado.

10.2. ¿Dónde se utilizan los transistores?

Puede parecer ilógico definir en la era que vivimos los campos de aplicación de un componente electrónico tan consolidado como es el transistor pero, de todas formas, no estará de más que demos un repaso a la evolución del mismo.

La utilización de las uniones NP en formato doble, es decir, bien PNP o NPN, nace en el mismo momento que las antiguas válvulas de vacío se tornan insuficientes para llevar a cabo con éxito ciertas tareas. A pesar de ello no debemos olvidar tanto el papel desempeñado por aquellas como la defensa a ultranza que, aún hoy, mantienen ciertos expertos sobre las mejores cualidades de las válvulas para ciertas aplicaciones.

Con la válvula electrónica se consiguió controlar un flujo de electrones, quizá fue el paso definitivo para el nacimiento de la electrónica como tal, y constituir los primeros circuitos rectificadores, receptores de radio, amplificadores, televisores y hasta televisión en color. Pero había llegado el comienzo de la era de la miniaturización. Los circuitos comenzaron a complicarse en exceso para poder ser implementados por medio de válvulas sin llevar añadidas desventajas tales como el peso, excesivo espacio, coste, calentamiento y consumo, fragilidad, etc.

La aplicación de las uniones PNP y NPN (transistores) surgió como panacea a la hora de resolver estos problemas. La aplicación masiva de este tipo de componente ha venido a paliar, sin duda, una de las pegas fundamentales de sus antecesoras las válvulas: el elevado coste de fabricación. Bien es cierto que ciertos transistores de uso específico y poco común pueden tener un coste elevado pero con los de gran consumo el asunto se invierte y su coste es cada día menor.

Respecto al problema de espacio, poco tenemos que decir aquí. La era de la miniaturización se ha encargado de generar dispositivos transistorizados en los que las uniones semiconductoras ocupan un espacio mínimo. Esto redunda, también, en una disminución de los costes de fabricación. Tan solo los dispositivos que precisan manejo de potencias de cierta envergadura se ven obligados a crecer y ofrecer un encapsulado de dimensiones algo mayores. De todas formas, las nuevas tecnologías de fabricación están encargando de paliar el aumento de dimensiones en función de la potencia requerida.

Con relación a la fragilidad de los componentes hay que mencionar aquí la ventaja que supone la utilización de los transistores en vez de las obsoletas válvulas, fabricadas de cristal, las cuales resultaban claramente frágiles.

Pero la investigación avanza y el papel del transistor no está ya tan claro. Este es un componente que, como tal, está condenado a desaparecer o, por lo menos, a ser relegado a un lugar mínimo dentro de las futuras y no muy lejanas aplicaciones electrónicas. Debemos fijarnos en que hablamos de la desaparición del transistor como tal pero no del fin de la utilización de las uniones PN. Estas se seguirán utilizando dentro de las pastillas o chips, los cuales son capaces de integrar en su interior el equivalente (en uniones PN) a millones de transistores. Con esto sobran más comentarios.

10.3. Fuentes de alimentación estabilizadas.

Cualquier circuito electrónico que haga uso de una alimentación de corriente continua precisará que esta se mantenga estable dentro de unos márgenes. Esto es precisamente lo que hacen las fuentes estabilizadas. El diodo zener puede ayudarnos en este propósito, pero ahora expondremos nuevas y mejores posibilidades.

Este esquema de bloque nos da una ligera idea de las partes implicadas en una fuente regulada.

La ilustración correspondiente nos da una idea bastante clara de lo que precisamos a la hora de obtener una fuente estabilizada y/o regulada, puesto que los transformadores y rectificadores nos son ya conocidos. Con ellos obtenemos tan solo corriente continua pero, si añadimos algún tipo de control sobre la tensión suministrada y hacemos que parte de la misma retorne al bloque de control con el fin de ser supervisada podemos conseguir que dicho "bloque" mantenga la tensión dentro de unos márgenes. Si dicho "control" parte de unos parámetros fijos (previstos en el diseño inicial) estaremos ante una alimentación estabilizada. Si, además, añadimos la posibilidad de modificar los parámetros, en concreto el valor de la tensión de salida, a voluntad del usuario estaremos en presencia de una fuente regulable.

Todo esto resulta ya llamativo pero aún podemos pedir más de una fuente de alimentación de mediana calidad: la posibilidad de regular (más bien limitar) la intensidad de salida de la misma.

Esto significa que, en caso de "problemas" en el circuito alimentado, se evitarán males mayores si la intensidad de que disponemos tiene un "tope" bien definido.

La aplicación de los diodos zener a la salida de una alimentación continua constituye un tipo de fuente estabilizada de tipo "paralelo". Con el añadido de los transistores a dichos circuitos se constituye otra familia de estabilizadores diferente a la que denominaremos fuente estabilizada de tipo "serie". Para comprender su funcionamiento, nos basaremos en el circuito representado en la ilustración correspondiente y que interrelaciona el diodo zener ya conocido y un elemento nuevo para nosotros en las fuentes de alimentación, el transistor.

En esta configuración los roles se reparten de la siguiente forma: el conjunto zener se encarga de supervisar la tensión suministrada por la fuente, mientras que el transistor en el modo de colector común recibe la "información" procedente de la parte supervisora y modifica su conducción de acuerdo a aquélla. De esta manera se obtiene la estabilización buscada. Vamos ahora a explicar cómo actúa el circuito en el caso de una hipotética variación en la tensión de entrada (V_E).

Partimos de la base de que la intensidad de salida I_O) permanece constante (I_O = k), por lo que la intensidad de base del transistor Q (I_B) permanecerá también constante. La relación de tensiones de entrada y salida se verá afectada por la caída de tensión en Q por lo que :

V_O = V_IN - V_CE

Como se ha dicho, supondremos que se produce una repentina elevación de la tensión de entrada (V_IN), lo cual se traduce inmediatamente en una elevación de la polarización inversa aplicada al diodo zener y, en consecuencia, la intensidad que atraviesa al mismo (I_Z) también se ve incrementada.

Como quiera que la intensidad que circula por la resistencia limitadora (R) es suma de la que llega a la base de Q y al diodo zener se cumple que:

I_R = I_B + I_Z

Por lo que un aumento de Iz se traduce de forma inmediata en un aumento de Ir (recordamos que hemos partido de la premisa de que Ib permanece constante). Al aumentar la intensidad que circula por R se origina una mayor caída de tensión en la misma, lo que redunda en un aumento de la polarización negativa del transistor. Como consecuencia de ello se ve incrementada la resistencia colector-emisor (R_CE), lo que origina una mayor caída de tensión entre colector y emisor (V_CE).

Como partíamos de la base de que:

V_O = V_IN - V_CE

Lo que ocurre, en resumen, es que un incremento de la tensión de entrada (V_E) se traduce en un aumento de la V_CE, con lo que se mantiene constante el valor de V_S.

La misma lógica se mantiene en el caso de que se originen variaciones en la intensidad de salida (I_S); el circuito reaccionará de forma que dicha variación no consiga modificar la tensión de salida (V_S) estabilizada.