Transistor de potencia: qué es, aplicaciones, tipos
¿Qué es un transistor de potencia?
El transistor de potencia es un dispositivo electrónico activo que se usa como interruptor, conmutador o como amplificador de señales. A diferencia del transistor común, el de potencia es capaz de trabajar con elevados voltajes y corrientes.
Debido a la gran corriente y elevado voltaje de operación de los transistores de potencia, es necesario que su encapsulado tenga partes metálicas que permitan ser unidas a disipadores de calor. Esto es imprescindible para mantener temperaturas de trabajo tolerables, sin que se vea afectado el rendimiento o la durabilidad del dispositivo.
Hay tres tipos de transistores, ya sean de baja o alta potencia: bipolares (BJT), de efecto de campo (FET) o los bipolares de puerta aislada (IGBT).
La diferencia más destacable entre los de tipo BJT y los FET es que estos últimos tienen una frecuencia de operación muchísimo más alta, es decir que tienen una respuesta más rápida a los cambios de señal. Los IGBT son una suerte de híbrido que ofrece algunas de las ventajas de los dos anteriores.
Independientemente del tipo o la potencia, todo transistor tiene tres terminales que se conocen con el nombre de: Emisor, Base y Colector en el caso de los BJT, o Drenaje, Gate y Source en los de tipo FET.
Aplicaciones del transistor
El transistor como controlador de corriente
Con la finalidad de controlar la corriente principal de un circuito o interrumpirla, el transistor se intercala de modo tal que la misma circule entre el colector y el emisor, luego un circuito secundario hace circular corriente entre la base y el emisor.
Si el voltaje entre base y emisor está por debajo de cierto valor umbral, no circula corriente entre colector y emisor. Por encima de dicho valor umbral de tensión de base, comienza a permitirse el paso de corriente entre colector y emisor.
A medida que se aumenta la tensión en la base aumenta la corriente entre colector y emisor hasta llegar a un valor de saturación, a partir del cual la corriente no aumenta más.
El transistor como amplificador
La corriente que circula entre colector y emisor suele ser entre diez y cien veces la corriente que circula entre la base y el emisor. Por otra parte, en el rango de operación apropiado, la pequeña corriente de la base es capaz de modular el gran flujo de corriente que pasa por el colector, de modo tal que una señal de poca intensidad sirve de modulador a otra de gran intensidad.
Este es el principio de funcionamiento básico de un amplificador: por ejemplo la señal de salida de un micrófono es del orden de los miliamperios y por tanto es incapaz de mover las membranas de un altavoz.
Sin embargo, esta pequeña corriente modula la corriente del orden de los amperios que circula entre colector y emisor, haciendo posible que el altavoz se mueva siguiendo la débil señal del micrófono.
La relación o cociente entre la corriente de colector y la corriente de base, da la ganancia de corriente y se le conoce como parámetro beta (β), la cual depende del diseño del transistor. Este valor se encuentra publicado en la hoja de datos de cada modelo de transistor.
Transistores bipolares tipo NPN y tipo PNP
En la configuración descrita en la sección previa, en la que el transistor se usa como interruptor o amplificador, es necesario conocer la polarización de los terminales. Esto dependerá del tipo de transistor que se esté usando.
Para saber de qué tipo se trata habrá de consultar la hoja de datos del modelo en uso.
El transistor NPN es como un sándwich en el que las partes exteriores son un semiconductor (generalmente silicio), contaminado con algún elemento que produce un exceso de electrones de valencia (por ejemplo fósforo).
La pared externa con alto dopaje es el colector, mientras que la otra pared moderadamente dopada es el emisor.
Entre las paredes del sándwich hay un semiconductor levemente dopado con un elemento que produce un déficit de electrones (usualmente aluminio). Entonces, el colector es un electrodo que se une a una pared externa y el emisor a la otra. La base se conecta a la parte interna del sándwich.
En el caso de un transistor tipo NPN, la corriente circula en sentido del colector al emisor, es decir que el colector debe polarizarse positivamente, mientras el emisor se polariza al borne positivo de la fuente. De igual forma, en un transistor NPN la corriente circula de la base al emisor, es decir la base se polariza positivamente.
En el transistor tipo PNP, todas las corrientes se invierten y por tanto también las respectivas polaridades.
En ambos tipos de transistores se cumple que la corriente que circula por el emisor es igual a la suma de la corriente en el colector más la corriente de base.
Transistor MOSFET
La denominación de este tipo de transistor se debe en parte a los materiales con los que está construido, así como su principio de funcionamiento.
La primera sílaba MOS se refiere a que la puerta (Gate) está hecha de metal – óxido y un sustrato semiconductor. La segunda sílaba FET, se debe a que el canal de conducción entre el drenaje (D) y la fuente (S), se activa justamente por el efecto de campo eléctrico producido por la compuerta (G) en la región de agotamiento, comprendida entre el drenaje y la fuente. Específicamente FET significa “transistor de efecto de campo”.
Comparado con los tradicionales de unión bipolar, estos transistores tienen la ventaja de que la compuerta (G), que en los transistores convencionales es la base (B), se maneja con tensión y no con corriente, lo que disminuye drásticamente la disipación de calor.
Por otra parte, permite una mayor integración, razón por la cuál este es el tipo de transistor es el que se usa en los circuitos integrados de CPU y GPU en ordenadores y móviles, los cuales integran miles de millones de transistores MOSFET.