TRANSISTORES Y AMPLIFICADORES OPERACIONALES
OBJETIVO
Este informe se basa en el tema de transistores y amplificadores operacionales, hablaremos de sus definiciones, sus características así como sus aplicaciones tanto en la electrónica análoga como en la digital para que esto nos ayude a comprender el funcionamiento de estos dispositivos y que estos conocimientos los podamos aplicar tanto en la industria como en la vida diaria
INTRODUCCIÓN
Los transistores son dispositivos electrónicos semiconductores utilizados para entregar una señal de salida en respuesta a una señal de entrada. Los tipos mas comunes son los NPN y PNP.
Los amplificadores operacionales son dispositivos electrónicos, normalmente se presenta como circuito integrado, que tiene dos entradas y una salida. La salida es la diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor de ganancia.
TRANSISTOR
El transistor es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para
entregar una señal de salida en respuesta a una señal de entrada. 1 Cumple
funciones de amplificador, oscilador, conmutador o rectificador. El término
«transistor» es la contracción en inglés de transfer resistor («resistencia de
transferencia»). Actualmente se encuentran prácticamente en todos los aparatos
electrónicos de uso diario: radios, televisores, reproductores de audio y vídeo, relojes de cuarzo, computadoras, lámparas fluorescentes, tomó grafos,
teléfonos celulares, entre otros.
El transistor consta de un sustrato (usualmente silicio) y tres partes
dopadas artificialmente (contaminadas con materiales específicos en cantidades
específicas) 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, condensadores e inductores que son elementos pasivos. Su
funcionamiento sólo puede explicarse mediante mecánica cuántica.
TRANSISTORES NPN Y PNP
Un transistor de unión bipolar está
formado por dos uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan formadas tres
regiones:
·
Emisor, que se diferencia de las
otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose 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.
TRANSISTOR NPN
NPN es uno de los dos tipos de transistores bipolares, en los cuales las letras "N" y "P" se refiere a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transisto. La mayoria de los transistores bipolares usados hoy en dia son NPN, debido a que la movilidad de el electrón es mayor que la movilidad de los"huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación.
Los transistores NPN consisten en una capa de material semiconductor dopado P (la base) entre dos capas de material dopado N. Una pequeña corriente ingresando a la base en configuracion emisor-común es amplificada en la salida del colector.
La flecha en el 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 otro tipo de transistor de unión bipolar es el PNP con las letras "P" y "N" refiriéndose a las cargas mayoritarias dentro de las regiones del transistor. Pocos transistores usados hoy en día son PNP, debido a que el NPN nos brinda mucho mejor desempeño en la mayoría de las circunstancias.
Los transistores PNP consisten en una capa de material
semiconductor dopado N entre dos capas de
material dopado P. Los transistores PNP
son comúnmente operados con el colector a masa y el emisor conectado al
terminal positivo de la fuente de alimentación a través 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 está en el terminal del emisor y apunta
en la dirección en la que la corriente convencional circula cuando el
dispositivo está en funcionamiento activo.
TRANSISTORES EN CORTE, SATURACIÓN , AMPLIFICADOR
Los
transistores de unión bipolar tienen diferentes regiones operativas, definidas
principalmente por la forma en que son polarizados
El
funcionamiento del transistor depende de la cantidad de corriente que pase por
su base.
Transistor en corte
Un transistor está en corte
cuando: corriente de colector =
corriente de emisor = 0, (Ic = Ie = 0).
En este caso el voltaje entre el colector y el emisor del transistor es
el voltaje de alimentación del circuito. (como no hay corriente circulando, no
hay caída de voltaje). Este caso normalmente se presenta cuando la corriente de
base = 0 (Ib =0).
De forma simplificada, se puede decir que el la unión CE se comporta
como un circuito abierto, ya que la corriente que lo atraviesa es cero.
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.
Transistor
en saturación
Un transistor está saturado cuando: Corriente de colector ≈ corriente de emisor
= corriente maxima, (Ic ≈ Ie = Imax)
En este caso la magnitud de la
corriente depende del voltaje de alimentación del circuito y de las
resistencias conectadas en el colector o el emisor o en ambos. Se presenta
cuando la diferencia de potencial entre el colector y el emisor desciende por
debajo del valor umbral VCE,sat. Cuando el transistor esta en saturación,
la relación lineal de amplificación Ic=β·Ib (y por
ende, la relación Ie=(β+1)·Ib ) no se cumple.
De forma simplificada, se puede decir que la unión CE se comporta como
un cable, ya que la diferencia de potencial entre C y E es muy próxima a cero.
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.
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 en los otros terminales,
pero tampoco tan grande como para permitirla pasar completamente.
En
ese caso el transistor funciona como un amplificador que nos proporciona entre
el colector y el emisor un múltiplo de la corriente que pasa por la base.
corriente del emisor = (β + 1)·Ib ; corriente del
colector= β·Ib
Cuando el transistor se comporta como un
amplificador y conduce parcialmente decimos que trabaja en la zona activa.
Como se puede ver, la zona activa es útil para la electrónica analógica
(especialmente útil para amplificación de señal) y las regiones de corte y
saturación, para la electrónica digital, representando el estado lógico alto y
bajo, respectivamente.
EJEMPLOS DE TRANSISTORES
Problemas
Un transistor BJT 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.
Un transistor BJT del tipo NPN con β =100, se conecta a una pila de 30 V de la
siguiente manera: el colector se conecta al terminal positivo de la pila a
través de una resistencia de 330 ohmios . La base tambiénn se conecta al mismo
terminal positivo de la pila a través de una resistencia de 560 kohmios. El
emisor de conecta directamente al terminal negativo de la pila. Calcule la
tensión entre colector y emisor.
AMPLIFICADORES OPERACIONALES
Se trata de un dispositivo electrónico (normalmente se presenta como
circuito integrado) que tiene dos entradas y una salida. La salida es la
diferencia de las dos entradas multiplicada por un factor (G) (ganancia): Vout
= G·(V+ − V−) el más conocido y comúnmente aplicado es el UA741 o LM741.
La alimentación del circuito se realiza por medio de dos fuentes de
alimentación (alimentación simétrica). El terminal de referencia de tensiones
(masa) no está conectado directamente al amplificador operacional. La referencia
de tensiones debe realizarse a través de elementos externos al operacional
tales como resistencias.
Originalmente los A.O. se empleaban para operaciones matemáticas (suma,
resta, multiplicación, división, integración, derivación, etc.) en calculadoras
analógicas. De ahí su nombre.
El A.O. ideal tiene una ganancia infinita, una impedancia de entrada
infinita, un ancho de banda también infinito, una impedancia de salida nula, un
tiempo de respuesta nulo y ningún ruido. Como la impedancia de entrada es
infinita también se dice que las corrientes de entrada son cero.
Símbologia
El símbolo de un amplificador es el mostrado en la
siguiente figura:
Los terminales son:
V+: entrada no inversora
V-: entrada inversora
VOUT: salida
VS+: alimentación positiva
VS-: alimentación negativa
Los terminales de alimentación pueden recibir
diferentes nombres, por ejemplos en los A.O. basados en FET VDD y VSS
respectivamente. Para los basados en BJT son VCC y VEE.
Habitualmente los pines de alimentación son
omitidos en los diagramas eléctricos por claridad.
GANANCIA EN UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL
En electrónica, la ganancia, en lo referido a
señales eléctricas, es una magnitud que expresa la relación entre la amplitud
de una señal de salida respecto a la señal de entrada. Por lo tanto, la
ganancia es una magnitud adimensional, que se mide en unidades como belio
(símbolo: B) o submúltiplos de éste como el decibelio (símbolo: dB).
Por ejemplo, si la potencia de salida de un
amplificador es 40 W (vatios) y la de entrada era de 20 W, la ganancia sería de
10 log (40 W / 20 W) ≈ 3,0103 dB.
Cuando la ganancia es negativa (menor que 0),
hablamos de atenuación. Así, en el ejemplo anterior pero al revés: 40 W de
entrada, frente 20 W de salida, el resultado sería de -3,0103 dB. No
hablaríamos de una ganancia de -3 dB, sino de una atenuación de 3 dB.
Tipos de ganancias
Ganancia de, tensión GV = Vsalida/Ventrada
Ganancia de, intensidad GI = Isalida/Ientrada
Ganancia de, potencial GP = Psalida/Pentrada
Estas ganancias se relacionan entre ellas a través
de las impedancias de entrada y salida del circuito, pero se tiene una idea de
sus magnitudes mediante las relaciones siguientes:
GP= GV·GI
IMPEDANCIA
EN UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL
Impedancia
de entrada Zi
Se define como la impedancia que el amplificador presenta a la fuente de
excitación conectada a una de las dos entradas y con la otra a masa. Zi varía
con la temperatura y la frecuencia, suele darse para determinada condiciones
concretas, por ejemplo: T = 25 ° C y f = 1 KHz, 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 excitación. 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 otra parte la impedancia de salida disminuye
al aumentar la frecuencia de trabajo, ya que, en estas circunstancias A
disminuye. Los valores normales a Zo son inferiores a 100 ohmios.
OPAM INVERSOR
El amplificador inversor amplifica e invierte (ver el signo menos) una señal de corriente alterna. En este caso la señal alterna de entrada sale amplificada en la salida, pero también desfasada 180° (invertida).
Como V+ está unida a tierra, será V− = 0 . Esto se conoce como “tierra
virtual” ya que está conectada a tierra pero sin estarlo.
Donde, por tanto, la ganancia (G) puede ser mayor o menor que 1 sin más que elegir las resistencias de la forma adecuada.
OPAM NO
INVERSOR
El voltaje de salida (Vo) se obtendría:
La
ganancia será:
La impedancia de entrada es infinita y la impedancia de salida es nula.
EJEMPLOS DE AMPLIFICADORES OPERACIONALES
RESUMEN
TRANSISTORES EN CORTE, SATURACION , AMPLIFICADOR: El funcionamiento del transistor depende de la cantidad de corriente que pase por su base.
Transistor como amplificador: El transistor funciona como un amplificador que nos proporciona entre el colector y el emisor un múltiplo de la corriente que pasa por la base.
GANANCIA EN UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL
IMPEDANCIA EN UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL
Impedancia de entrada Zi: Es la impedancia que el amplificador presenta a la fuente de excitación conectada a una de las dos entradas y con la otra a masa. Zi varía con la temperatura y la frecuencia.
CUESTIONARIO
BIBLIOGRAFÍA
LINK DE VITACORA
https://docs.google.com/document/d/12akOkytCg1KddILVh7Okk8l1CoDGMVbkVI9iubGzvmg/edit?usp=sharing
TRANSISTOR: Es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para entregar una señal de salida en respuesta a una señal de entrada. funciona como amplificador , oscilador, conmutador o rectificador.
TRANSISTORES NPN Y PNP: Un transistor de unión bipolar está formado por dos uniones PN que forman tres regiones: el emisor ya que su funciona como emisor de portadores de carga, la base que separa el emisor del colector y el colector que tiene una extensión mucho mayor.
TRANCISTOR NPN: Es un transistor bipolar, sus letras "N" y "P" se refieren a los portadores de carga mayoritarios dentro de las diferentes regiones del transistor, estos permiten mayores corrientes y velocidades de operación.
TRANCISTOR PNP: Las letras "P" y "N" significan las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor, una pequeña corriente circulando desde la base permite que una corriente mucho mayor circule desde el emisor hacia el colector.
TRANSISTORES EN CORTE, SATURACION , AMPLIFICADOR: El funcionamiento del transistor depende de la cantidad de corriente que pase por su base.
Transistor en corte : Un transistor está en corte cuando la corriente de colector es igual a la corriente de emisor ya que no pasa corriente por la base y en consecuencia no puede pasar tampoco por sus otros terminales.
Transistor en saturación: Un transistor está saturado cuando la corriente en la base es muy alta y así no se permite la circulación de corriente entre el colector y el emisor y el transistor se comporta como si fuera un interruptor cerrado.Transistor como amplificador: El transistor funciona como un amplificador que nos proporciona entre el colector y el emisor un múltiplo de la corriente que pasa por la base.
AMPLIFICADORES OPERACIONALES
Es un dispositivo electrónico con dos entradas y una salida, principalmente se usaban para operaciones matemáticas en calculadoras analógicas.
Las terminales de un amplificador operacional son:
V+: entrada no inversora
V-: entrada inversora
VOUT: salida
VS+: alimentación positiva
VS-: alimentación negativa
GANANCIA EN UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL
En electrónica, es una magnitud que expresa la relación entre la amplitud de una señal de salida respecto a la señal de entrada que se mide en unidades como belio.
Tipos de ganancias
Estas ganancias se relacionan entre ellas a través de las impedancias de entrada y salida del circuito.
IMPEDANCIA EN UN AMPLIFICADOR OPERACIONAL
Impedancia de entrada Zi: Es la impedancia que el amplificador presenta a la fuente de excitación conectada a una de las dos entradas y con la otra a masa. Zi varía con la temperatura y la frecuencia.
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 y esta disminuye al aumentar la frecuencia de trabajo.
OPAM INVERSOR
El amplificador inversor amplifica e invierte una señal de corriente alterna.
OPAM NO INVERSOR
La tensión de entrada, se aplica al pin positivo, pero la ganancia del amplificador operacional es muy grande, el voltaje en el pin positivo es igual al voltaje en el pin negativo y positivo.
CUESTIONARIO
¿Qué es un transistor? Es un dispositivo electrónico semiconductor utilizado para entregar una señal de salida en respuesta a una señal de entrada.
¿Qué significa el término transistor en inglés? En ingles es: "transfer resistor" que significa resistencia de transferencia.
¿Cómo esta formado un transistor de unión bipolar? Está formado por dos uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha.
¿Cuáles son las regiones formadas en un transitor de union bipolar? Emisor, base y colector.
¿Por qué la mayoría de los transistores bipolares usados hoy en día son NPN? Porque la movilidad del electrón es mayor que la movilidad de los "huecos" en los semiconductores, permitiendo mayores corrientes y velocidades de operación.
¿En que consisten los transistores PNP? En una capa de material semiconductor dopado N entre dos capas de material dopado P.
¿De qué depende el funcionamiento del transistor? De la cantidad de corriente que pase por su base.
¿Cuándo se dice que el transitor esta en corte? Cuando no pasa corriente por la base ya que tampoco puede pasar por sus otros terminales.
¿Cuándo un transistor está saturado? Cuando la corriente en la base es muy alta ya que no permite la circulación de corriente entre el colector y el emisor y el transistor se comporta como si fuera un interruptor cerrado.
¿Qué proporciona el transistor en función a un amplificador? Proporciona un múltiplo de la corriente que pasa por la base entre el colector y el emisor.
¿Qué significan las letras "P" y "N" en el transitor PNP? Significan las cargas mayoritarias dentro de las diferentes regiones del transistor.
¿Originalmente cuál era el uso de los amplificadores operacionales? Para operaciones matemáticas en calculadoras analógicas.
¿En electrónica que es la ganancia? Es la magnitud que expresa la relación entre la amplitud de una señal de salida respecto a la señal de entrada.
BIBLIOGRAFÍA
http://search.tb.ask.com/search/GGmain.jhtml?searchfor=transistor+npn&st=kwd&ptb=2D0601A2-053D-4E11-95F0-49A5FFA807A0&n=780b8977&ind=2014022007&p2=^Z7^xdm031^YYA^mx&si=CMGkxuCP3LwCFUVlfgodDjYACw
http://www.unedcervera.com/c3900038/estrategias/estrategias_transistores.html
http://es.wikipedia.org/wiki/Transistor
http://www.dte.us.es/ing_inf/ins_elec/temario/Tema%201.%20Amplificadores%20Operacionales.pdf
http://www.unicrom.com/Tut_OpAmpNoInversor.asp
http://es.wikipedia.org/wiki/Ganancia_(electr%C3%B3nica)
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http://www.dte.us.es/ing_inf/ins_elec/temario/Tema%201.%20Amplificadores%20Operacionales.pdf
http://www.unicrom.com/Tut_OpAmpNoInversor.asp
http://es.wikipedia.org/wiki/Ganancia_(electr%C3%B3nica)
LINK DE VITACORA
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