Semiconductores especiales
El transistor bipolar se controla con corriente. Los componentes de este eje se controlan con tensión (los FET), con un pulso que queda enganchado (los tiristores) o con luz (los fotoeléctricos). Tres principios distintos y tres campos de aplicación distintos.
01Tres familias, tres maneras de controlar
Un campo eléctrico angosta o ensancha un canal por el que circula la corriente. La compuerta no consume corriente: se comporta como un capacitor. Sirven para amplificar, para conmutar y como llaves analógicas.
Una estructura de cuatro capas que, una vez disparada, queda conduciendo sola hasta que la corriente cae. Se los usa para manejar potencia de red: no regulan, conmutan.
Convierten luz en señal eléctrica o al revés. Su gran virtud no es sólo detectar: es aislar eléctricamente dos circuitos que no pueden compartir masa.
02El transistor de efecto de campo
Tiene tres patas —compuerta (G), drenador (D) y surtidor (S)— que cumplen un papel parecido a base, colector y emisor, pero el mecanismo es otro: la tensión de compuerta modula el ancho del canal por el que pasa la corriente, sin que circule corriente por la compuerta.
- JFET y MOSFET de empobrecimiento: con VGS = 0 conducen. Hay que aplicar tensión negativa (canal N) para cortarlos. Se dice que trabajan en modo depleción.
- MOSFET de enriquecimiento: con VGS = 0 no conducen. Hay que superar la tensión de umbral VGS(th) para que aparezca el canal. Son los que se usan en conmutación y los que hay adentro de todo circuito integrado CMOS.
Un 2N5457 con IDSS = 5 mA y VGS(off) = −3 V, polarizado con VGS = −1 V:
- ID = 5 mA × (1 − (−1)/(−3))² = 5 × (1 − 0,333)² = 5 × 0,444 = 2,22 mA
- Con VGS = −1,5 V: ID = 5 × (0,5)² = 1,25 mA
- Con VGS = −2 V: ID = 5 × (0,333)² = 0,56 mA
Medio volt de compuerta cambia la corriente a la mitad. Y hay una consecuencia práctica importante: la dispersión de fábrica es enorme. En un mismo lote, IDSS puede ir de 1 mA a 5 mA. Por eso la polarización de un JFET siempre lleva resistencia de surtidor con realimentación, igual que en el bipolar: nunca se fija la compuerta a un valor calculado y listo.
| Transistor bipolar | FET | |
|---|---|---|
| Se controla con | Corriente de base | Tensión de compuerta |
| Impedancia de entrada | Baja: kΩ | Altísima: 109 Ω el JFET, 1012 el MOSFET |
| Ganancia | Alta (β de 100 a 800) | Menor: se habla de transconductancia gm |
| Ruido | Mayor | Menor: preferido en primeras etapas |
| Deriva térmica | Se embala: más temperatura, más corriente | Se autolimita: más temperatura, menos corriente |
| En paralelo | Necesita resistencias de ecualización | Se pueden poner en paralelo directamente |
| Como llave | Cae 0,2 a 0,7 V (VCE(sat)) | Se comporta como una resistencia: RDS(on) de miliohms |
| Manipulación | Robusto | El MOSFET se daña con la electricidad estática |
El MOSFET de potencia
Es hoy el componente de conmutación más usado. Su ventaja frente al bipolar es doble: no necesita corriente permanente de mando y su caída de tensión al conducir no es una tensión fija sino una resistencia muy chica.
Manejando 10 A continuos:
- Bipolar con VCE(sat) = 0,5 V → P = 0,5 × 10 = 5 W. Y necesita 10/50 = 200 mA de base permanentes.
- MOSFET con RDS(on) = 10 mΩ → P = I²R = 100 × 0,01 = 1 W. La compuerta no consume nada en régimen.
Cinco veces menos disipación, disipador más chico y mando más simple. La contra aparece en conmutación rápida: cargar y descargar la capacidad de compuerta (nanofaradios) exige picos de corriente de mando, y de ahí que existan los circuitos driver de compuerta.
La compuerta está aislada por una capa de óxido de pocos nanómetros que se perfora con unas decenas de volts. El cuerpo humano acumula miles de volts caminando sobre una alfombra. Un MOSFET puede quedar dañado sin que se note: funciona en el banco y falla a la semana. Se trabaja con pulsera antiestática, con la punta del soldador puesta a tierra y guardando los componentes en su espuma conductora. Los que traen diodos Zener internos de protección lo toleran mejor, pero no es excusa.
- Llave analógica (CD4066): conecta o desconecta una señal sin relé ni contactos.
- Resistencia controlada por tensión: en la zona óhmica, el FET se comporta como un resistor variable. Es la base del control automático de ganancia.
- Etapa de entrada de alta impedancia: es lo que hace que un operacional tipo TL081 tenga corrientes de entrada de picoamperes, y lo que permite medir la salida de un sensor de pH o de un electrodo.
- Toda la lógica CMOS: cada compuerta de la serie 40XX es una pareja de MOSFET complementarios.
03Tiristores: el SCR
El rectificador controlado de silicio es un diodo que no conduce hasta que se le da permiso. Adentro tiene cuatro capas P-N-P-N y se lo entiende mejor como dos transistores realimentados: un pulso en la compuerta enciende uno, ese enciende al otro, y el segundo mantiene encendido al primero. Por eso, una vez disparado, la compuerta pierde el control.
- VDRM — tensión de pico repetitiva que soporta sin dispararse solo. Para red de 220 V se usan de 400 o 600 V.
- IT(RMS) — corriente eficaz que puede conducir, con su disipador.
- IGT — corriente de compuerta necesaria para disparar. Típicamente entre 5 y 50 mA.
- IH — corriente de mantenimiento: por debajo de ella el SCR se apaga solo. Es la clave de todo su comportamiento.
No se apaga con la compuerta. Se apaga cuando la corriente de ánodo cae por debajo de IH. En alterna eso pasa solo, en cada cruce por cero, cien veces por segundo: por eso los tiristores son naturales para la red. En continua, en cambio, hay que forzarlo con un circuito de conmutación —un capacitor que invierte la tensión de ánodo por un instante— y eso complica bastante el diseño. Es una de las razones por las que en continua se prefiere hoy un MOSFET o un IGBT.
Control de fase
Es la aplicación central. Si en cada semiciclo se dispara el tiristor más tarde, conduce menos tiempo y la carga recibe menos potencia. El ángulo desde el cruce por cero hasta el disparo se llama ángulo de disparo α.
| Ángulo α | Tensión eficaz sobre 220 V | Potencia entregada | Sensación en una lámpara |
|---|---|---|---|
| 0° | 220 V | 100 % | Plena luz |
| 45° | 209,7 V | 90,9 % | Apenas se nota |
| 90° | 155,6 V | 50 % | Media luz |
| 135° | 66,3 V | 9,1 % | Filamento apenas rojo |
| 180° | 0 V | 0 % | Apagada |
Entre 0° y 45° casi no cambia nada, y entre 90° y 135° cambia muchísimo. Por eso los dimmers parecen tener «toda la regulación al final del recorrido». La zona útil está entre 40° y 140°, y una buena perilla usa un potenciómetro de curva logarítmica para repartir mejor el rango.
04Diac y triac
El SCR conduce en un solo sentido: sobre alterna, deja pasar medio ciclo. El triac resuelve eso: son dos SCR en antiparalelo dentro del mismo encapsulado, con una sola compuerta. Sus terminales ya no se llaman ánodo y cátodo sino MT1 y MT2, porque cualquiera puede ser el positivo.
- Conduce en los dos sentidos: controla el ciclo completo.
- Se dispara con pulso positivo o negativo, pero no en todos los cuadrantes con la misma sensibilidad: los cuadrantes I y III son los buenos; el IV es el peor y conviene evitarlo.
- Se apaga solo en cada cruce por cero, igual que el SCR.
- Típicos: BT136 (4 A), BT139 (16 A), TIC206.
- Un componente de dos terminales que no conduce hasta cierta tensión (unos 32 V) y entonces se dispara bruscamente, cayendo su tensión.
- Es simétrico: hace lo mismo en los dos sentidos.
- Su función es generar un pulso limpio y parejo para la compuerta del triac. Sin él, el disparo depende de la dispersión del triac y el dimmer parpadea y tiene histéresis.
- Típico: DB3.
Todo el circuito de mando, incluida la perilla, está conectado a la red. No tiene transformador ni aislación. Nunca se lo mide con un osciloscopio conectado a tierra sin transformador de aislación: se produce un cortocircuito franco a través de la masa del instrumento. Para las prácticas se trabaja con transformador de aislación y, mejor todavía, con tensión reducida.
Con un motor o un transformador, la corriente está desfasada de la tensión: cuando la corriente cruza por cero y el triac se apaga, la tensión ya subió, y ese dV/dt puede volver a dispararlo solo. El circuito pierde el control y la carga queda encendida. Se corrige con un snubber: 100 Ω en serie con 100 nF en paralelo con el triac. Los triacs modernos «snubberless» toleran mucho más dV/dt, pero para una carga inductiva franca el snubber sigue siendo lo correcto.
El control de fase corta la senoidal en el medio y por eso genera interferencia: hay un escalón de corriente muy rápido cien veces por segundo, que se propaga por la instalación y se escucha en la radio de AM. Por eso todo dimmer lleva una bobina y un capacitor de filtro a la entrada.
Cuando la carga es térmica y lenta —un horno, una resistencia— conviene el otro método: control por ciclos enteros (o por cruce por cero). Se dejan pasar, por ejemplo, 7 ciclos de cada 10, disparando siempre en el cruce por cero. No genera interferencia y es lo que hacen los relés de estado sólido con optotriac de cruce por cero. Para una lámpara no sirve, porque parpadearía.
05Componentes fotoeléctricos
| Componente | Qué hace | Velocidad | Dónde se lo usa |
|---|---|---|---|
| LED | Convierte corriente en luz. Caída directa según el color: 1,8 V rojo, 2,1 V verde, 3,2 V azul y blanco. | ns | Indicadores, iluminación, emisor de todo sensor óptico. Siempre con resistencia limitadora. |
| LDR | Su resistencia baja con la luz: de 1 MΩ a oscuras a 1 kΩ iluminado. | Lenta: decenas de ms | Luz de vereda, control de brillo. Barata y sencilla, pero lenta y poco repetible. |
| Fotodiodo | Genera corriente proporcional a la luz. Se lo usa polarizado en inversa. | Muy rápida: ns | Fibra óptica, receptores de control remoto, medición de luz precisa. |
| Fototransistor | Un fotodiodo con la ganancia de un transistor: mucha más corriente. | Media: µs | Sensores de presencia, encoders, optoacopladores. |
| Celda fotovoltaica | Genera tensión: 0,5 V por celda a plena luz. | — | Energía solar. |
| Optoacoplador | LED y fototransistor enfrentados dentro de un encapsulado: transmiten señal sin contacto eléctrico. | µs | Aislar el mando de la potencia, romper lazos de masa, proteger un microcontrolador. |
| Optotriac | LED y triac de disparo: mueve un triac de potencia con total aislación. | — | Relés de estado sólido, control de cargas de red desde un micro. MOC3021 y MOC3041. |
- Aislación galvánica: 2500 a 5000 V entre entrada y salida. Una falla del lado de potencia no llega al circuito de control.
- Rompe lazos de masa: dos equipos alejados con masas a distinto potencial no pueden unirse por un cable de señal. Un opto lo resuelve.
- Adapta niveles: 5 V de un lado, 24 V o 220 V del otro, sin conversores.
- Su especificación clave es el CTR (relación de transferencia de corriente): cuánta corriente de salida se obtiene por cada miliamper de entrada. Y hay que saber que baja con los años: un diseño serio deja margen.
06En el laboratorio
Con un 2N5457, fuente variable en la compuerta (de 0 a −3 V) y 12 V en el drenador a través de 1 kΩ, medir ID cada 0,25 V de VGS. Graficar. Comparar con la ecuación de Shockley usando el IDSS medido (VGS = 0) y el VGS(off) medido (ID ≈ 0). Repetir con otro transistor del mismo lote: la diferencia entre ambos es la lección más importante de la práctica.
Con un IRFZ44 manejando una lámpara de 12 V, medir la tensión entre drenador y surtidor con la compuerta a 12 V y calcular RDS(on) = VDS/ID. Después repetir con la compuerta a 4 V: el transistor no satura, la caída sube y el encapsulado se calienta. Es la demostración de por qué un MOSFET común no se maneja directo con un microcontrolador de 3,3 V y hacen falta los de logic level.
Con 12 V de continua, un SCR chico (C106) y una lámpara: un pulsador entre la compuerta y el positivo enciende la lámpara. Soltar el pulsador: sigue encendida. Un segundo pulsador que cortocircuite el ánodo con el cátodo, o que corte la alimentación un instante, la apaga. Con eso se entiende el enganche y la corriente de mantenimiento sin tocar la red.
Armar el dimmer con una lámpara incandescente pequeña alimentada por un transformador reductor y de aislación. Con el osciloscopio sobre la carga, girar la perilla y observar cómo el trozo conducido de cada semiciclo crece. Medir la tensión eficaz con un multímetro True RMS y compararla con la fórmula: la de valor medio calibrado va a dar mal, y esa diferencia es en sí misma parte del ejercicio (mediciones en CA).
Con un 4N25, manejar desde un pulsador de 5 V un LED alimentado por una fuente distinta de 12 V, sin ninguna conexión entre las dos masas. Medir con el multímetro entre las dos masas: hay tensión y el circuito funciona igual. Después medir el CTR: corriente de salida dividida corriente de entrada.
07Errores frecuentes
| Síntoma | Causa habitual |
|---|---|
| El MOSFET se calienta mucho conmutando | Tensión de compuerta insuficiente: trabaja en zona lineal en vez de saturado. O conmuta lento y las pérdidas están en la transición. |
| El MOSFET conduce siempre, aun con la compuerta a cero | Compuerta al aire (le falta la resistencia de descarga de 10 kΩ a surtidor) o transistor dañado por estática. |
| Dos FET en paralelo y uno se calienta más | Diferencia de umbral entre ejemplares. En conmutación se ecualiza con resistencias de compuerta individuales. |
| El JFET amplifica distinto en cada plaqueta | Dispersión de IDSS. Falta realimentación de surtidor en la polarización. |
| El SCR no se apaga nunca | Está alimentado con continua: la corriente nunca baja de IH. Hace falta conmutación forzada, o usar otro componente. |
| El triac se dispara solo con un motor | dV/dt en el apagado por carga inductiva. Falta el snubber (100 Ω + 100 nF). |
| El dimmer no enciende hasta cierto punto y después salta | Histéresis del R-C de disparo: el capacitor queda cargado del semiciclo anterior. Se corrige con la red doble R-C que traen los dimmers comerciales. |
| La radio de AM zumba cuando el dimmer está a media luz | Interferencia propia del control de fase. Falta el filtro de entrada, o hay que pasar a control por ciclos enteros si la carga lo permite. |
| El optoacoplador deja de funcionar con los años | El CTR del LED cae con el tiempo. Hay que diseñar con margen y no al límite de corriente. |
| El fototransistor responde a la luz de la sala | Falta filtro óptico o modulación. Los receptores de control remoto usan portadora de 38 kHz justamente para eso. |
08Autoevaluación
¿Cuál es la diferencia esencial entre controlar un bipolar y controlar un FET?
El bipolar se controla con corriente de base y consume potencia de mando permanente; el FET se controla con tensión de compuerta y en régimen no consume corriente, porque la compuerta se comporta como un capacitor.
Un JFET con IDSS = 8 mA y VGS(off) = −4 V polarizado con VGS = −2 V: ¿cuánta corriente circula?
ID = 8 × (1 − (−2)/(−4))² = 8 × (0,5)² = 2 mA. La mitad de la tensión de corte da la cuarta parte de la corriente: la relación es cuadrática.
¿Por qué un MOSFET de potencia disipa menos que un bipolar a igual corriente?
Porque su caída no es una tensión fija de saturación sino una resistencia muy chica: P = I²·RDS(on). Con 10 A y 10 mΩ son 1 W, contra los 5 W de un bipolar con 0,5 V de VCE(sat).
¿Cómo se apaga un SCR y por qué eso lo hace ideal para la red?
Se apaga cuando la corriente de ánodo cae por debajo de la corriente de mantenimiento IH. En alterna eso ocurre solo en cada cruce por cero, cien veces por segundo, así que el control se reduce a decidir cuándo dispararlo en el semiciclo siguiente.
Con α = 90° sobre 220 V, ¿qué tensión eficaz y qué potencia recibe una carga resistiva?
Vef = 220 × √0,5 = 155,6 V, y como la potencia va con el cuadrado, el 50 %. La mitad del ángulo no es la mitad de la potencia: la relación no es lineal.
¿Para qué sirve el diac en un dimmer?
Para generar un pulso de disparo definido: no conduce hasta unos 32 V y entonces descarga el capacitor de golpe sobre la compuerta. Sin diac, el disparo depende de la sensibilidad de cada triac y el circuito queda irregular y con histéresis.
¿Por qué una carga inductiva puede hacer que un triac pierda el control?
Porque la corriente está atrasada respecto de la tensión: cuando la corriente llega a cero y el triac se apaga, la tensión sobre él ya subió bruscamente. Ese dV/dt lo vuelve a disparar. Se corrige con un snubber R-C en paralelo.
¿Cuándo conviene control por ciclos enteros en vez de control de fase?
Cuando la carga es térmica y lenta —hornos, resistencias calefactoras—. Disparando siempre en el cruce por cero no se genera interferencia. En iluminación no sirve, porque el parpadeo sería visible.
¿Qué ventaja da un optoacoplador que no da un transistor común?
Aislación galvánica: entrada y salida no comparten ningún conductor, y entre ellas hay miles de volts de aislación. Permite que un circuito de 5 V mande potencia de red, y rompe los lazos de masa entre equipos distantes.
¿Por qué el receptor de un control remoto usa una portadora de 38 kHz?
Para distinguir la señal de la luz ambiente. El emisor enciende y apaga el LED infrarrojo a 38 kHz y el receptor tiene un filtro sintonizado a esa frecuencia: la luz del sol o de una lámpara, que es continua o de 100 Hz, queda afuera.