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Computador mágico III – El transistor II: el transistor bipolar




La serie “El computador mágico” está disponible también en forma de libro.

Dejamos el capítulo anterior de esta serie sobre el computador mágico con la gráfica genérica de un transistor:

 

En este capítulo vamos a ver cómo se produce ese efecto y cómo podemos aprovecharlo para nuestro ordenador.

El transistor más sencillo, como decíamos, es el BJT (Bipolar Junction Transistor, transistor de unión bipolar) o simplemente transistor bipolar. Hoy en día no es el tipo de transistor más utilizado en la industria para hacer microchips, pero es mucho más sencillo de explicar que otros más comunes y nos sirve para entenderlo cualitativamente y seguir avanzando hacia arriba hasta el computador. Cuando llegue el momento de utilizar transistores de otro tipo, los introduciremos y veremos las diferencias respecto a este transistor BJT.

Un transistor bipolar se construye simplemente poniendo tres pedazos de semiconductor de los dos tipos que conocíamos (N y P). Cómo no los disponemos en geometrías sofisticadas ni les añadimos más materiales entre medias ni nada, solo podemos disponerlos de 2 formas distintas: PNP y NPN. Bien, pues esa es la forma en que se llaman precisamente los dos tipos de transistor que podemos construir de este modo: transistor bipolar PNP y transistor bipolar NPN. Vamos a empezar explicando el NPN y luego contaremos las poquitas diferencias que hay con el PNP (en un artículo posterior).

Transistor bipolar NPN: disposición y esquema eléctrico

Entonces, si simplemente cogemos un pedazo de material de tipo P y le ponemos a ambos lados unos pedazos de material de tipo N, y luego le “soldamos” unos conectorcillos de cobre, de modo que cada uno de los tres tenga una patilla… pues ya tenemos un transistor bipolar NPN. Al terminal del centro se le llama Base, al de arriba Colector y al de abajo Emisor.

Vuelve arriba ahora y revisa la gráfica general de funcionamiento del transistor. Verás que tiene 3 partes claramente diferenciadas: la parte inicial, donde la salida es cero; la parte final, donde la salida es máxima; y la parte central, donde la salida es proporcional a la entrada. En el transistor bipolar esas 3 zonas se llaman: zona de corte, zona de saturación y zona lineal.

Para describir esas 3 zonas de forma estricta hay que describir cómo se relacionan las tensiones entre Base y Emisor, entre Colector y Emisor y entre Colector y Base, y las corrientes por Colector, Emisor y Base (aunque algunas de ellas se deducen de las ecuaciones de Kirchoff, y no de las ecuaciones de transistor propiamente dichas). Pero en los montajes más habituales del transistor, y en particular para los que necesitaremos para seguir avanzando en esta serie, siempre se pone el Colector conectado de alguna forma al polo positivo de una pila, y el Emisor de alguna forma conectado al polo negativo. Es probable que alrededor del transistor, entre sus terminales y los polos de la pila, se pongan otros componentes, como resistencias, condensadores u otros transistores, pero el Colector siempre suele acabar conectado, aunque sea indirectamente, al positivo de la pila; y el Emisor suele acabar conectado, aunque sea indirectamente, al negativo de la pila. Además, la entrada siempre viene por la Base. Ojo, que esta es la forma que necesitamos para explicar los siguientes componentes que necesitaremos, y es verdad que es la más habitual, pero no es la única forma en que puede usarse un transistor.

 

Fíjate en que no se suele dibujar la pila con sus dos terminales, sino que se suele indicar con Gnd o el símbolo de la rayas el terminal negativo de la pila (Gnd por ground, tierra en inglés; las rayas reprensentan a la tierra); y con Vcc o un simple punto gordo el terminal positivo. A veces también se indica el valor de la tensión de alimentación. Si por ejemplo estamos alimentando el circuito con 5V, a veces se pone +5V en vez de Vcc, y muy especialmente se pone cuando hay partes del circuito que se alimentan por ejemplo con 5V y otras con 12V. Pero como no es nuestro caso, vamos a obviar esto.[1]

Pero el resumen es que la tensión entre Colector y Emisor es siempre positiva, y en general lo bastante grande como para que, en el análisis cualitativo que vamos a hacer, nos podamos desentender de ella.

También es muy habitual suponer que la corriente que entra por la Base es muy pequeña. La mayor parte de las veces simplemente diremos que es 0A, pero incluso cuando no, siempre podremos decir sin miedo que es mucho menor que la corriente que entra por el Colector y sale por el Emisor.

Por lo tanto, podemos describir las tres zonas del transistor cualitativamente del siguiente modo:[2]

  • Zona de corte: ocurre cuando la tensión entre la Base y el Emisor es pequeña.
  • Zona de saturación: ocurre cuando la tensión entre la Base y el Emisor es grande.
  • Zona lineal: ocurre cuando estamos… pues más o menos en medio de las dos. Ni muy grande, ni muy pequeña. A veces también se la llama zona activa.

Eso en cuanto a la entrada. ¿Qué ocurre en cuanto a la salida?

  • Zona de corte: no circula corriente por ninguno de los terminales del transistor. Es decir, cuando estemos en zona de corte, podemos simplemente quitar el transistor y no poner nada, dejar un circuito abierto.
  • Zona de saturación: circula corriente infinita por el Colector. Lógicamente, eso de “infinito” es algo que no cuadra muy bien con el mundo físico, así que lo que quiere decir en realidad es que la cantidad de corriente que entre no estará limitada por el transistor, sino por esas “Otras cosas” que ponemos en el dibujo. Es decir, cuando estemos en zona de saturación, podemos simplemente quitar el transistor y poner un cable que una al Colector con el Emisor (recuerda que hemos dicho que la corriente por la Base es completamente despreciable).
  • Zona lineal: la corriente que circula por el Colector es proporcional a la corriente que circula por la Base. Además, esa constante de proporcionalidad, que se suele llamar beta, es muy grande (depende del transistor concreto, pero factores de 100, o incluso mucho mayores, no son raros). Fíjate en que tenemos una situación un poco extraña: necesitamos saber cuánto es la corriente que entra por la Base para multiplicarla por beta y así calcular la corriente que entra por el Colector. Pero por otro lado, decimos que la corriente que circula por la Base es 0 (o al menos despreciable), de modo que todo lo que entra por el Colector sale por el Emisor. Es un poco extraño, pero es así. Es el problema de las simplificaciones: que son válidas hasta que dejan de serlo.

En el próximo artículo veremos cómo combinar eso para lograr dos efectos: un conmutador y un amplificador. Por cierto: al igual que con el diodo, a lo mejor te queda el regustillo de querer saber no solo cómo se comporta el transistor sino por qué. Te recuerdo que veremos eso en un apéndice más adelante.

 

  1. A veces también ocurre que en lugar de alimentarse entre 0V y 5V, se alimenta por ejemplo entre -5V y +5V… pero eso, de nuevo, no hace falta para lo que queremos contar. []
  2. Recuerda que estamos simplificándolo mucho. []

Sobre el autor:

J ( )

 

{ 8 } Comentarios

  1. Gravatar Brigo | 25/06/2012 at 02:03 | Permalink

    Muy bien explicado, aunque lo de las simplificaciones es cierto. :-)

  2. Gravatar J | 25/06/2012 at 04:53 | Permalink

    Espero que los que pedís un poco más de profundidad os quedéis más a gusto cuando llegue el anexo.

    No obstante, si según vayamos avanzando alguien prefiere algo más de profundidad en algún tema concreto, que lo pida. No prometo abordarlo (y menos si no está entre mis conocimientos), pero siempre se puede estudiar, como parte de esta serie o de otra o como artículo suelto.

  3. Gravatar Fernando | 26/06/2012 at 11:14 | Permalink

    Sin entrar demasiado en profundidad se ve claramente que si la beta de los transistores suele ser de un mínimo de 100, tenemos pues que la corriente de colector es 100 veces superior a la corriente de base, por tanto ésta es despreciable en comparación con la primera… y eso que hablamos de una beta “pequeña”.

    También hay que considerar que normalmente las corrientes de los circuitos electrónicos suelen ser muy pequeñas, del orden de los miliamperios (mA, la milésima parte de un amperio), lo que hace aún más despreciable la corriente de base que se mide normalmente en nanoamperios (nA, la millonésima parte de un amperio).

    Lo importante es quedarse con las escalas.

    Saludos

  4. Gravatar Voro | 04/07/2012 at 01:43 | Permalink

    Lo siento mucho… no entiendo nada. La introducción me sedujo muchísimo, pero en estos dos artículos leo un montón de cosas pero no leo el por qué se producen. Me podría estudiar el artículo, claro. Palabra por palabra y seguir adelante, pero la realidad es que de repente se nos presentan los semiconductore, luego se juntan dos, luego 3 (que son los que vamos a ver en la serie) y de repende estamos hablando de si entendemos las diferencias de tensión que habrá entre cada parte. Además se supone que tenemos que deducir que la beta esa es considerable teniendo en cuenta su escala…

    Nu entiendo nada…

    De todas maneras, me extraña porque otras series de J las he entendi y disfrutado muchísimo!

    Gracias por el esfuerzo J, de verdad, igual es que este tema lo voy a tener que releer y releer para entenderlo.

    Una sugerencia: quizá deberías entrar a más profundidad en el funcionamiento de los transistores para que podamos comprenderlo.

  5. Gravatar J | 05/07/2012 at 09:26 | Permalink

    Voro,

    gracias por una crítica meditada (no es irónico, es que probablemente recuerdes los comentarios de hace unos día a un artículo de Mac y da gusto leer una crítica como la tuya).

    Si no te interpreto mal, tienes dos problemas distintos:

    1) No acabas de entender por qué el semiconducotr (y el diodo y el transistor, por extensión) se comportan así. En el apéndice que nombro (que probablemente publiquemos entre el V y el VI) veremos eso. Pero no es física trivial. Hace falta tener fresca la física de secundaria sobre el átomo, los orbitales, los enlaces y la conducción eléctrica. Y no vale con haberla aprobado, hace falta además haberla entendido bien. Por eso he preferido dejarlo fuera de la serie principal.

    2) No acabas de entender para qué sirve esto para entender el ordenador… pues sí… tienes razón. Cuando me planteaba la serie en mi cabeza no sabía si abordarla de abajo-a-arriba o de arriba-a-abajo.

    La ventaja de la aproximación de abajo a arriba es que una vez entendido un concepto, usarlo para construir el concepto superior es más sencillo; la desventaja es que a veces no acabas de ver para qué demonios te cuento ese concepto, por qué es importante, y puede desanimar.

    La ventaja de la aproximación de arriba a abajo es que empiezas por conceptos que manejas con soltura (en este caso, qué es un juego, qué es un teclado, qué es el monitor,…) para ir desgranándolos, y entonces el porqué de contarte esas cosas es sencillo… pero la desventaja es que como no puedes basarte en el funcionamiento de los componentes inferiores para explicar el concepto en cuestión, tienes que hacer muchos actos de fe.

    No tengo clara cuál es la aproximación adecuada. He optado por de-abajo-a-arriba, pero puedo haberme equivocado, obviamente. A lo mejor cuando vayas viendo conceptos más cercanos le vas viendo la gracia y te anima a volver a leer estos.

    Recuerda, no obstante, que estoy intentando que cada artículo (o al menos cada subbloque) sea más o menos aislado, de modo que si te saltas alguno porque no te interese o no haya sido capaz de explicarlo bien, puedas reengancharte en un bloque posterior sin mucho problema.

  6. Gravatar Voro | 06/07/2012 at 07:21 | Permalink

    @J:

    Creo que mi deber como lector es trasmitirte mi parecer con los artículos. La aproximación de abajo arriba siempre me gustó más, sigue así, aunque ya te digo que ando bastante perdido.

    Pero descuida que leeré todos los artículos de la serie porque seguro que se me irá encendiendo la bombilla poco a poco!

    PD: La física la pasé con un 10 en el instituto. Eso sí, son conceptos muy básicos y no la he vuelto a ver desde entonces. Me pasé a las letras, así que perdí la ventaja! :D

  7. Gravatar Fernando | 07/07/2012 at 10:38 | Permalink

    A lo largo y ancho de las explicaciones sobre electricidad y electrónica se han aplicado siempre lo símiles con circuitos de agua corriente…

    Así es fácil entender el funcionamiento de un diodo, que actuaria como una válvula de no retorno: deja pasar el agua en un sólo sentido.

    El transistor sería una válvula algo más compleja deja pasar por la salida (el colector) un caudal X veces mayor (X sería la beta) que el caudal de control (la base).

    En esta escala, es relativamente fácil comprender cómo funcionan aunque no el porqué funcionan así… Es más, lo normal es que baste saber estas dos tonterías para resolver la inmensa mayoría de circuitos electrónicos. Así que para mi si es muy importante tener claro lo explicado, en esta escala, sin más detalle, pues es conocimiento suficiente para resolver un montón de circuitos, y por tanto saber el funcionamiento de otros aparatos más complejos.

  8. Gravatar Voro | 09/07/2012 at 09:08 | Permalink

    ¡Gracias Fernando!

    Se me ha encendido de repente la bombilla. Voy a por el siguiente artículo…

    :D

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