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AVANCES TECNOLÓGICOS, APLICACIONES Y ESTUDIO DE LOS TRANSISTORES

 

    James Moreno Herrera

Ingeniero Electrónico

 

Introducción

Desde su aparición, los transistores han sido esenciales para la electrónica moderna, y han contribuido al desarrollo tecnológico, especialmente en las telecomunicaciones. Por ello, la comprensión de su composición, funcionamiento y aplicación es fundamental para el profesional en ingeniería electrónica, mediante el análisis, la simulación y el diseño de circuitos electrónicos basados en BJT (Transistor de unión bipolar), MOSFET (Transistores de Efecto de Campo Metal-Óxido-Semiconductor), LDMOS (lateral double-diffused MOS) y la tecnología CMOS (Metal-Óxido-Semiconductor Complementaria).

El uso de estos dispositivos, incluso en discreto, sigue vigente en industrias como la telefonía celular y la radiodifusión de radio y televisión, incluyendo amplificadores de TDT (Televisión Digital Terrestre). Por ello, es importante que la formación del ingeniero electrónico incluya el procesamiento y la amplificación de señales mediante la simulación de circuitos transistorizados, en un ambiente de aprendizaje basado en proyectos y a través del trabajo colaborativo.

Este documento presenta inicialmente una breve descripción de los transistores sin detallar su composición y funcionamiento, haciendo referencia a algunos de ellos utilizados en la radiodifusión de radio y televisión. Y finalmente, se resalta la importancia de su estudio dentro de la formación de ingenieros electrónicos.

 

Los transistores y sus aplicaciones

La electrónica moderna data del siglo XX, desde la aparición del diodo mediante el cual el voltaje se procesa de forma tal que permite la circulación o no de corriente; y el tubo al vacío, mediante el cual una señal de entrada muy pequeña controlaba una señal grande de salida, lo cual constituye la base de la amplificación.

De acuerdo con Martínez-Castillo & Martínez-López (2015), “los primeros sistemas electrónicos se basaron en el funcionamiento de los tubos de vacío, gracias a ellos se gestó y evolucionó una industria novedosa: La radiodifusión”. Aún en Colombia está en uso un transmisor de televisión analógica (ATV) que utiliza en su etapa de amplificación un tubo tetrodo, el cual permite obtener hasta 10 kW de potencia nominal[1], de tal forma que se irradia una señal de radiofrecuencia que contiene audio y video para ser demodulada en el receptor de TV del usuario.

Lo anterior constituye un procesamiento de señal mediante transductores, los cuales convierten una señal física que contiene información, en señales eléctricas, es decir un voltaje o una corriente. Las señales eléctricas varían en el tiempo y se pueden caracterizar en términos de su espectro de frecuencias (Sedra & Smith, 1998). Dichas señales se procesan mediante circuitos electrónicos, basados en dispositivos discretos como diodos y transistores de silicio; y en circuitos integrados (IC) como amplificadores operacionales. Los cuales han tenido aplicación en los sistemas informáticos, la instrumentación y las telecomunicaciones, gracias a su versatilidad, siendo protagonistas de la tercera revolución industrial[2].

Por otra parte, el diodo, como elemento no lineal, sencillo y fundamental, de dos pines o terminales; se ha utilizado en el diseño de rectificadores, especialmente en las fuentes de poder para convertir señales de corriente alterna (AC) en señales de corriente continua (DC). Estos dispositivos, son de uso frecuente como puente rectificador de onda completa, en fuentes de poder de transmisores de ATV de baja y media potencia (10 W hasta 200 W). También se utilizan como dispositivos de protección o regulación (diodo Zener). Otras aplicaciones hacen uso del fotodiodo y del diodo emisor de luz (LED).

Los transistores, a diferencia de los diodos, tienen tres pines, lo cual los hace más útiles en aplicaciones que van desde la amplificación de señales hasta el diseño de circuitos digitales lógicos y de memoria (Sedra & Smith, 1998). Mediante la aplicación de voltaje en uno de sus pines, se logra controlar la corriente que circula por sus otros dos pines, en funciones de corte y saturación, lo cual permite su uso como “interruptor”. Los tipos de transistores más comunes con los de unión bipolar (BJT) y los transistores de efecto de campo (FET).

Durante los primeros años de la era de los semiconductores, los BJT se convirtieron en una novedosa alternativa a los tubos de vacío, sus principales ventajas fueron: (i) bajo consumo de potencia, (ii) mayor estabilidad y (iii) no requerían calentamiento previo. (Martínez-Castillo & Martínez-López, 2015)

 

Los transistores BJT tienen una estructura física, formada principalmente por un electrodo de Emisor, un electrodo Base, un electrodo Colector y las regiones de material semiconductor tipo N o tipo P.

 

Estos dispositivos operan en tres modos según la polarización que se realice entre las uniones emisor-base y colector-base: corte y saturación, en aplicaciones de conmutación y activo, en aplicaciones de amplificación de señales. Se utilizan, por ejemplo, en los transmisores de ATV en las etapas de modulación y procesamiento de FI[3], así como en los amplificadores de RF[4]. Una referencia común es el 2N6439, un transistor de potencia NPN que opera típicamente en transmisores VHF de la marca Screen Service[5], utilizados como amplificadores de señal (emisor común). 

El estudio de los materiales semiconductores, permitió identificar al dióxido de silicio (SiO₂) como un excelente aislante (baja conductividad eléctrica) con capacidad de resistirse a campos eléctricos altos, lo cual fue clave en la aparición de los primeros transistores MOSFET, éstos utilizan un campo eléctrico para crear un canal de conducción de corriente mediante una estructura física formada principalmente por un electrodo de compuerta (Gate), un electrodo fuente (Source), un electrodo drenador (Drain) y el componente MOS (metal-óxido-semiconductor).

Su estructura, permite una variedad de zonas de trabajo para el MOSFET: región óhmica, con un comportamiento lineal equivalente a una resistencia variable, ya que el dispositivo puede presentar baja resistencia ante la existencia de un canal; región de corte, cuando no existe canal de conducción, es decir, el MOSFET equivale prácticamente a un circuito abierto; y región de saturación, cuando el MOSFET mantiene constante la corriente con un comportamiento equivalente al de un generador de corriente continua. Estas regiones de trabajo se controlan y se establecen según los valores de voltajes aplicados en Gate y en Drain, respecto a Source.

 

Los Mosfet tienen gran utilidad tanto en electrónica análoga como digital ya que se pueden comportar como una fuente dependiente de corriente o de voltaje y de igual manera se pueden comportar como un interruptor arrojando estados de conducción y no conducción. (Herrera Rosero & Velandia Castillo, 2017)

 

Es decir que, según el voltaje aplicado, el MOSFET trabaja de diferentes formas, lo cual permite comprender por qué estos transistores tienen aplicaciones como el espejo de corriente o la conmutación. Sin embargo, al depender de su estructura y los materiales utilizados en su fabricación, son dispositivos sensibles a las variaciones de temperatura y a los campos electrostáticos.

 

De hecho, en la reparación de amplificadores de potencia de transmisores de ATV se debe tener especial cuidado en la soldadura de los MOSFET para evitar afectarlos por el calor excesivo, así como en su manipulación para evitar daños por la electrostática, por ello es común ver a los reparadores conectados al sistema puesta a tierra de la mesa de trabajo. La variación del comportamiento del MOSFET, debido a los cambios de temperatura, es evidente en los transmisores refrigerados por aire forzado, convirtiéndose el flujo de aire en una condición esencial para garantizar una potencia de salida estable.

Tal es el caso de los transmisores de ATV marca Harris de la serie HTEL[6], los cuales utilizan el MOSFET de referencia ON4402H, un dispositivo de grandes prestaciones pero que se debe manipular con cuidado especial, utilizando técnicas de soldadura que eviten el calor excesivo en sus pines y para el cual se debe garantizar un flujo de aire óptimo para garantizar su temperatura de operación ideal. Estos dispositivos se deben reemplazar con frecuencia durante los mantenimientos correctivos que se realizan en amplificadores de potencia, de capacidad 1 kW, los cuales utilizan 16 unidades de estos MOSFET.

De acuerdo con Martínez-Castillo & Martinez-López (2015), los avances tecnológicos, especialmente los computacionales e informáticos, han impulsado el uso de ICs, los cuales se basaron inicialmente en transistores BJT, bajo la tecnología TTL (Transistor-Transistor Logic); y luego, los basados en transistores MOSFET canal P (PMOS) y canal N (NMOS), bajo la tecnología CMOS, con las siguientes características: buena inmunidad al ruido, baja disipación de potencia, alta impedancia de entrada, y amplio rango de voltajes y temperatura de operación.

 

Así mismo, la necesidad de la industria de radiofrecuencia, incluyendo la TDT (UHF) y la telefonía móvil, de contar con dispositivos de mayor potencia para frecuencias de trabajo elevadas (hasta 2 GHz) ha hecho protagonista al transistor LDMOS, básicamente por su total compatibilidad con la tecnología CMOS y por su buena linealidad, bajo consumo, buen compromiso entre potencia y ancho de banda, buena eficiencia y alta fiabilidad, lo cual es fundamental para la calidad del servicio, tal como lo afirma Chicona (2007).

 

Precisamente la eficiencia energética es un factor diferencial que impulsó la transición de la televisión analógica a la televisión digital terrestre, ya que según Chicona (2007), “la eficiencia determina el rendimiento, o la óptima utilización de la potencia RF generada, en función de la energía disipada”, lo cual redunda en ahorro energético y por ende en reducción de costos para los operadores de televisión.

 

Un ejemplo de transistor LDMOS, es el utilizado por los transmisores TDT marca Egatel, de referencia BLF888, el cual permite conseguir un buen balance entre linealidad y eficiencia en amplificadores RF de clase AB.

EL ESTUDIO DEL TRANSISTOR

De acuerdo con Gónzalez-Páramo (2017), “el trabajo del futuro estará cada vez más determinado por la rapidez de los cambios tecnológicos y por la innovación continua”, de tal forma que por un lado toma importancia vital el estudio de la electrónica moderna como base de los avances tecnológicos, teniendo el transistor como protagonista; y, por otro lado, toma relevancia especial la formación de ingenieros electrónicos con mayor capacidad de reinventarse.

Es decir, que el estudio del transistor es básico dentro de la electrónica, entre otras razones por la vigencia de sus aplicaciones tecnológicas, pero ¿cómo abordar su estudio en forma diferencial y al mismo tiempo flexible?

Sin duda, una alternativa de estudio es a través de la formación virtual, y del trabajo colaborativo, mediante uso de aplicaciones digitales, como una oportunidad de complementar la formación tradicional y presencial, con el fin de aumentar la productividad intelectual y la adquisición de conocimiento, en pro de la calidad de la educación. Máxime cuando la pandemia del COVID19 ha estimulado el uso de herramientas virtuales y de trabajo colaborativo online mediante aplicaciones en “la nube”.

De igual forma, el aprendizaje basado en proyectos estimula el pensamiento creativo a partir del análisis de problemas y la búsqueda de soluciones. Y la evaluación del conocimiento vista como retroalimentación con el fin de mejorar el desempeño del estudiante. En este punto, cabe resaltar que el uso de rúbricas permite comunicar las expectativas de calidad del producto que se desea obtener, por ello es importante incorporarlas especialmente en la evaluación de proyectos y prácticas de laboratorio.

La educación superior tiene entre sus retos crear nuevos entornos de aprendizaje en pos de lograr la formación de un profesional competente que responda a las necesidades del entorno por lo que es necesario tener en cuenta que el alumno debe apropiarse de los métodos de aprendizaje que le permitan aplicar por sus propios medios, los conocimientos adquiridos en situaciones nuevas. (Rodríguez, 2019)

Como método de aprendizaje de la electrónica básica y el estudio del transistor, se debe contemplar el uso de simuladores de circuitos electrónicos como Pspice, LabView, WorkBench, OrCAD, Matlab Simulink, entre otros. Lo cual promueve la comprensión de los fundamentos teóricos y el desarrollo del estudio independiente.

Por otra parte, la experiencia real de la aplicación del conocimiento del transistor y la electrónica en general permite al estudiante conocer la complejidad de los sistemas y las distintas variables que pueden incidir en el funcionamiento de los equipos utilizados en la industria de la informática, la automatización, el control o las telecomunicaciones. Por ello, se deben promover las visitas técnicas en campo como una experiencia única de aprendizaje, que inclusive, como lo menciona Gónzalez-Páramo (2017), promuevan el learning by doing combinando aulas y formación en el empleo (prácticas profesionales).

Todo lo anterior, de cara a la cuarta revolución industrial[7], que puede generar nuevas ocupaciones, especialmente en los sectores más innovadores, y que requiere profesionales en ingeniería electrónica capaces de adaptarse los cambios exponenciales de la globalización y los desarrollos tecnológicos.

De acuerdo con Gónzalez-Páramo (2017), “el sistema educativo debe evolucionar conforme lo haga la sociedad y anticiparse a las demandas del mercado laboral”, de tal forma que se potencien en los estudiantes habilidades como el trabajo colaborativo, la creatividad, la adaptabilidad a los cambios y la capacidad de razonar y pensar fuera de lo convencional. Esto incluye un pensamiento innovador y de emprendimiento, que garantice la igualdad de oportunidades y la inclusión social.

 

 

 

CONCLUSIONES

El estudio del transistor es básico dentro de la formación del profesional en ingeniería electrónica pues este dispositivo en discreto ha tenido aplicación en industrias que aún están vigentes en Colombia, tal es el caso de los transmisores de televisión analógica que utilizan transistores BJT o MOSFET. Y en industrias novedosas del ámbito global, como la televisión digital terrestre, en donde se utilizan transistores LDMOS por su eficiencia y operación en altas frecuencias. También en circuito integrado, con tecnologías como la CMOS, impulsando los avances tecnológicos de la informática, la computación y el almacenamiento, con chips cada vez más pequeños, los cuales cuentan con cientos de transistores en su estructura física. Su estudio permite caracterizar los diferentes tipos transistores y su evolución para comprender sus campos de aplicación en las telecomunicaciones, la informática, la automatización y el control.

Dicho lo anterior, la formación del ingeniero electrónico debe contemplar el estudio de la electrónica básica, mediante la simulación de circuitos transistorizados a través del uso de software profesional, como una oportunidad de aprendizaje independiente; la enseñanza basada en proyectos, de tal forma que se estimule la solución de problemas de forma creativa y bajo un esquema de evaluación basado en rúbricas que permita una retroalimentación permanente hacia el estudiante; el trabajo colaborativo, asociado al uso de aplicaciones “en la nube” y herramientas virtuales que promuevan el trabajo en equipo; y las visitas en campo como una experiencia única de conexión con los sistemas complejos del campo laboral.

 

Referencias bibliográficas

 

ALLDATASHEET. (2022). 2N6439 datasheet. https://pdf1.alldatasheet.es/datasheet-pdf/view/2841/MOTOROLA/2N6439.html

BROAD TELECOM S.A. (2020). CT BTESA Suministro Repuestos Varios V2.

Chicona, M. (2007). Métodos de extracción de parámetros de un circuito equivalente de pequeña señal para transistores LDMOS de potencia para aplicaciones de RF.

Electrónica Básica: Transistor Bipolar – AG | Blog. (2019). https://agelectronica.blog/2019/06/13/electronica-basica-transistor-bipolar/

Gónzalez-Páramo, J. M. (2017). Cuarta revolución industrial, empleo y estado de bienestar. 1–25. https://doi.org/10.1787/5jlz9h56d

Herrera Rosero, L. T., & Velandia Castillo, B. S. (2017). Transistor Mosfet: Caracterización y aplicaciones básicas.

Martínez-Castillo, J., & Martinez-López, A. G. (2015). TECNOLOGÍA CMOS: AVANCES Y PERSPECTIVAS. https://www.researchgate.net/publication/295103772

Mouser Colombia. (2022). 2N6439 Advanced Semiconductor, Inc. | Mouser Colombia. https://co.mouser.com/ProductDetail/Advanced-Semiconductor-Inc/2N6439?qs=ET0bm%252B8TtG68Zbq6jGKzhQ%3D%3D

NXP. (2010). Product data sheet BLF888.

Rodríguez, A. L. (2019). Material complementario para el aprendizaje de circuitos con amplificadores operacionales y transistores.

Sedra, A. S., & Smith, K. C. (1998). Circuitos Microelectrónicos (Oxford University Press, Ed.; Cuarta).