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4.3: Comprobación del medidor de un transistor (BJT)

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    Los transistores bipolares están construidos de un semiconductor de tres capas “sandwich” ya sea PNP o NPN. Como tal, los transistores se registran como dos diodos conectados espalda con espalda cuando se prueban con la función de “resistencia” o “verificación de diodos” de un multímetro como se ilustra en la figura a continuación. Las lecturas de baja resistencia en la base con los cables negativos negros (-) corresponden a un material tipo N en la base de un transistor PNP. En el símbolo, el material de tipo N es “apuntado” por la flecha de la unión base-emisor, que es la base para este ejemplo. El emisor tipo P corresponde al otro extremo de la flecha de la unión base-emisor, el emisor. El colector es muy similar al emisor, y también es un material tipo P de la unión PN.

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    Comprobación del medidor del transistor PNP: (a) hacia adelante B-E, B-C, la resistencia es baja; (b) marcha atrás B-E, B-C, la resistencia es ∞.

    Aquí estoy asumiendo el uso de un multímetro con solo una única función de rango de continuidad (resistencia) para verificar las uniones PN. Algunos multímetros están equipados con dos funciones de verificación de continuidad separadas: resistencia y “verificación de diodos”, cada una con su propio propósito. Si su medidor tiene una función designada de “verificación de diodos”, use eso en lugar del rango de “resistencia”, y el medidor mostrará el voltaje directo real de la unión PN y no solo si conduce corriente o no.

    Las lecturas del medidor serán exactamente opuestas, por supuesto, para un transistor NPN, con ambas uniones PN orientadas hacia el otro lado. Las lecturas de baja resistencia con el cable rojo (+) en la base son la condición “opuesta” para el transistor NPN.

    Si en esta prueba se usa un multímetro con función de “verificación de diodos”, se encontrará que la unión emisor-base posee una caída de voltaje directa ligeramente mayor que la unión colector-base. Esta diferencia de voltaje directo se debe a la disparidad en la concentración de dopaje entre las regiones de emisor y colector del transistor: el emisor es una pieza de material semiconductor mucho más dopada que el colector, lo que provoca que su unión con la base produzca una caída de tensión directa más alta.

    Sabiendo esto, se hace posible determinar qué cable es cuál en un transistor sin marcar. Esto es importante porque el empaque de transistores, desafortunadamente, no está estandarizado. Todos los transistores bipolares tienen tres cables, por supuesto, pero las posiciones de los tres cables en el paquete físico real no están dispuestas en ningún orden universal y estandarizado.

    Supongamos que un técnico encuentra un transistor bipolar y procede a medir la continuidad con un multímetro configurado en el modo de “comprobación de diodos”. Midiendo entre pares de cables y registrando los valores mostrados por el medidor, el técnico obtiene los datos en la Figura siguiente.

    Capture.PNG

    Transistor bipolar desconocido. ¿Qué terminales son emisor, base y colector? Lecturas de Ω-metros entre terminales.

    Las únicas combinaciones de puntos de prueba que dan lecturas conductoras del medidor son los cables 1 y 3 (cable de prueba rojo en 1 y cable de prueba negro en 3), y los cables 2 y 3 (cable de prueba rojo en 2 y cable de prueba negro en 3). Estas dos lecturas deben indicar polarización directa de la unión emisor-base (0.655 voltios) y la unión colector-base (0.621 voltios).

    Ahora buscamos el cable común a ambos conjuntos de lecturas conductoras. Debe ser la conexión base del transistor, porque la base es la única capa del dispositivo de tres capas común a ambos conjuntos de uniones PN (emisor-base y colector-base). En este ejemplo, ese cable es el número 3, siendo común a las combinaciones de puntos de prueba 1-3 y 2-3. En ambos conjuntos de lecturas de medidor, el cable de prueba del medidor negro (-) estaba tocando el cable 3, lo que nos dice que la base de este transistor está hecha de material semiconductor tipo N (negro = negativo). Así, el transistor es un PNP con base en el cable 3, emisor en el cable 1 y colector en el cable 2 como se describe en la Figura a continuación.

    3.. PNG

    Terminales BJT identificados por Ω-meter.

    Tenga en cuenta que el cable base en este ejemplo no es el conductor medio del transistor, como cabría esperar del modelo “sándwich” de tres capas de un transistor bipolar. Este suele ser el caso, y tiende a confundir a los nuevos estudiantes de electrónica. La única manera de estar seguro de qué cable es cuál es mediante una verificación del medidor, o haciendo referencia a la documentación de “hoja de datos” del fabricante en ese número de pieza particular del transistor.

    Saber que un transistor bipolar se comporta como dos diodos espalda con espalda cuando se prueba con un medidor de conductividad es útil para identificar un transistor desconocido puramente mediante lecturas de medidor. También es útil para una rápida comprobación funcional del transistor. Si el técnico tuviera que medir la continuidad en más de dos o menos de dos de las seis combinaciones de cables de prueba, él o ella sabría inmediatamente que el transistor estaba defectuoso (o bien que no era un transistor bipolar sino algo más, una posibilidad clara si no hay parte ¡Los números pueden ser referenciados para una identificación segura!). Sin embargo, el modelo de “dos diodos” del transistor no logra explicar cómo o por qué actúa como un dispositivo amplificador.

    Para ilustrar mejor esta paradoja, examinemos uno de los circuitos de conmutación de transistores usando el diagrama físico de la Figura a continuación en lugar del símbolo esquemático para representar el transistor. De esta manera los dos cruces PN serán más fáciles de ver.

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    Una pequeña corriente base que fluye en la unión base-emisor polarizada hacia delante permite un gran flujo de corriente a través de la unión base-colector polarizada inversa.

    Una flecha diagonal de color gris muestra la dirección del flujo de electrones a través de la unión emisor-base. Esta parte tiene sentido, ya que los electrones están fluyendo desde el emisor de tipo N a la base tipo P: la unión es obviamente polarizada hacia adelante. Sin embargo, la unión base-colector es otra cuestión completamente diferente. Observe cómo la flecha gruesa de color gris apunta en la dirección del flujo de electrones (hacia arriba) de la base al colector. Con la base hecha de material tipo P y el colector de material tipo N, ¡esta dirección del flujo de electrones es claramente hacia atrás a la dirección normalmente asociada con una unión PN! Un cruce PN normal no permitiría esta dirección de flujo “hacia atrás”, al menos no sin ofrecer una oposición significativa. Sin embargo, un transistor saturado muestra muy poca oposición a los electrones, todo el camino de emisor a colector, ¡como lo demuestra la iluminación de la lámpara!

    Claramente entonces, algo está pasando aquí que desafía el sencillo modelo explicativo de “dos diodos” del transistor bipolar. Cuando estaba aprendiendo por primera vez sobre el funcionamiento del transistor, intenté construir mi propio transistor a partir de dos diodos espalda con espalda, como en la Figura siguiente.

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    ¡Un par de diodos espalda con espalda no actúan como un transistor!

    Mi circuito no funcionaba, y estaba desconcertada. Por muy útil que sea la descripción de “dos diodos” de un transistor para fines de prueba, no explica cómo se comporta un transistor como un interruptor controlado.

    Lo que sucede en un transistor es esto: la polarización inversa de la unión base-colector evita la corriente del colector cuando el transistor está en modo de corte (es decir, cuando no hay corriente base). Si la unión base-emisor es polarizada hacia delante por la señal de control, la acción de bloqueo normal de la unión base-colector se anula y se permite la corriente a través del colector, a pesar de que los electrones van por el “camino equivocado” a través de esa unión PN. Esta acción depende de la física cuántica de las uniones semiconductoras, y solo puede tener lugar cuando las dos uniones están adecuadamente espaciadas y las concentraciones de dopaje de las tres capas están adecuadamente proporcionadas. Dos diodos cableados en serie no cumplen con estos criterios; el diodo superior nunca puede “encenderse” cuando está polarizado invertido, no importa cuánta corriente pase a través del diodo inferior en el bucle del cable base. Consulte Transistores de unión bipolar, Ch 2 para más detalles.

    Que las concentraciones de dopaje juegan un papel crucial en las habilidades especiales del transistor se evidencia aún más por el hecho de que el colector y el emisor no son intercambiables. Si el transistor se ve simplemente como dos uniones PN espalda con espalda, o simplemente como un sándwich plano N-P-N o P-N-P de materiales, puede parecer que cualquiera de los extremos del transistor podría servir como colector o emisor. Esto, sin embargo, no es cierto. Si se conecta “hacia atrás” en un circuito, una corriente de colector base no podrá controlar la corriente entre el colector y el emisor. A pesar de que tanto las capas de emisor como de colector de un transistor bipolar son del mismo tipo de dopaje (ya sea N o P), ¡el colector y el emisor definitivamente no son idénticos!

    La corriente a través de la unión emisor-base permite la corriente a través de la unión base-colector polarizada inversa. La acción de la corriente base puede pensarse como “abrir una puerta” para la corriente a través del colector. Más específicamente, cualquier cantidad dada de corriente de emisor a base permite una cantidad limitada de corriente de base a colector. Por cada electrón que pasa a través de la unión emisor-base y a través del cable base, un cierto número de electrones pasan a través de la unión base-colector y no más.

    En la siguiente sección, se investigará con más detalle esta limitación de corriente del transistor.

    Revisar

    • Probado con un multímetro en los modos de “resistencia” o “comprobación de diodos”, un transistor se comporta como dos uniones PN (diodo) consecutivas.
    • La unión PN emisor-base tiene una caída de tensión directa ligeramente mayor que la unión PN colector-base, debido al dopaje más pesado de la capa semiconductora del emisor.
    • La unión base-colector de polarización inversa normalmente bloquea cualquier corriente que pase a través del transistor entre el emisor y el colector. Sin embargo, esa unión comienza a conducir si se extrae corriente a través del cable base. La corriente base puede pensarse como “abrir una puerta” para una cierta cantidad limitada de corriente a través del colector.

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