UNIDADES SEGUNDO PERIODO
UNIDAD # 1: El transistor como responsable de la revolución electrónica
- Transistores bipolares PNP y NPN
- Práctica páginas 44 y 45: El transistor
- Práctica páginas 46 y 47: Detector de luminosidad
- Práctica páginas 60 y 61: Luces intermitentes
- Práctica páginas 68 y 69: Revolver espacial
Los físicos crean el transistor
El desarrollo de la electrónica y de sus múltiples aplicaciones fue posible gracias a la invención del transistor, ya que este superó ampliamente las dificultades que presentaban sus antecesores, las válvulas. En efecto, las válvulas, inventadas a principios del siglo XX, habían sido aplicadas exitosamente en telefonía como amplificadores y posteriormente popularizadas en radios y televisores. Sin embargo, presentaban inconvenientes que tornaban impracticables algunas de las aplicaciones que luego revolucionarían nuestra sociedad del conocimiento. Uno de sus mayores inconvenientes era que consumían mucha energía para funcionar. Esto provenía del hecho de que en las válvulas se calienta eléctricamente un filamento (cátodo) para que emita electrones que luego son colectados en un electrodo (ánodo), estableciéndose así una corriente eléctrica. Luego, por medio de un pequeño voltaje (frenador) aplicado entre una grilla y el cátodo se logra el efecto amplificador, controlando el valor de la corriente, de mayor intensidad, entre cátodo y ánodo. El filamento no sólo consumía mucha energía, sino que también solía quemarse, o las vibraciones lograban romperlo, por lo que las válvulas terminaban resultando poco confiables. Además, como era necesario evitar la oxidación del filamento incandescente, la válvula estaba conformada por una carcasa de vidrio, que contenía un gas inerte o vacío, haciendo que el conjunto resultara muy voluminoso.
Los transistores, desarrollados en 1947 por los físicos W. Shockley, J. Bardeen y W. Brattain, resolvieron todos estos inconvenientes y abrieron el camino que, junto con otras invenciones como la de los circuitos integrados potenciarían el desarrollo de las computadoras. Y todo a bajos voltajes, sin necesidad de disipar energía (como era el caso del filamento), en dimensiones reducidas y sin partes móviles o incandescentes que pudieran romperse.
Los transistores se basan en las propiedades de conducción eléctrica de materiales semiconductores, como el silicio o el germanio. Particularmente el transporte eléctrico en estos dispositivos se da a través de junturas, conformadas por el contacto de materiales semiconductores donde los portadores de carga son de distintos tipos: huecos (tipo P) o electrones (tipo N). Las propiedades de conducción eléctrica de las junturas se ven modificadas dependiendo del signo y de la magnitud del voltaje aplicado, donde, en definitiva, se reproduce el efecto amplificador que se obtenía con las válvulas: operando sobre una juntura mediante un pequeño voltaje se logra modificar las propiedades de conducción de otra juntura próxima que maneja un voltaje más importante.
Los diez años posteriores a la invención del primer transistor vieron enormes adelantos en este campo:
- se inventaron distintos tipos de transistores (de punto, de juntura, de campo), basados en distintas propiedades básicas;
- se emplearon distintos materiales, inicialmente el germanio (1948) y posteriormente el silicio (1954), que domina la industria semiconductora de la actualidad;
- se logró construir una gran cantidad de transistores, otros elementos y los circuitos para acoplarlos directamente sobre una oblea de silicio, a lo que se le dio el nombre de circuito integrado (1958).
En estos primeros circuitos integrados, los transistores tenían dimensiones típicas de alrededor de 1 cm. En 1971 el microprocesador de Intel 4004 tenía unos 2000 transistores, mientras que hoy en día, un Pentium IV tiene unos 10 millones de transistores, con dimensiones típicas de alrededor de 0.00001 cm. Desde 1970, cada año y medio aproximadamente, las dimensiones de los transistores se fueron reduciendo a la mitad (ley de Moore). Si se los hace aún más pequeños dejarán de funcionar como esperamos, ya que empezarán a manifestarse las leyes de la mecánica cuántica. Para seguir progresando, deberá entonces concebirse una nueva generación de microprocesadores basados en las propiedades que la materia manifiesta en las escalas nanométricas.
Todos estos desarrollos respondieron en cada caso al intento de resolver un problema concreto atacado tanto del punto de vista teórico como experimental. Muchos de los físicos que participaron en esta aventura del transistor y en sus desarrollos posteriores dieron lugar al nacimiento de nuevas invenciones (y de empresas como Texas Instruments, Intel y AMD) que hoy día dominan la escena en la que se desarrollan las TIC.
DESARROLLO DE UNIDADES
UNIDAD # 1: El transistor como responsable de la revolución electrónica
1. Transistores bipolares NPN y PNP
NPN PNP
EJEMPLOS
En ambos ejemplos, cuando se activa el suiche (SW1), la corriente circula hacia la base del transistor activándolo y dejando circular corriente de colector a emisor (NPN) o de emisor a colector (PNP). Así, se enciende el LED.
Cuando el suiche se desactiva, ya no circula corriente hacia la base del transistor y éste se desactiva. Por tanto, se apaga el LED.
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DETECTOR DE LUMINOSIDAD
RESULTADOS
8A
8B
TALLER NOTA ACUMULATIVA 30%
Recordar: quienes no hagan este taller, simplemente se les colocará la misma nota de seguimiento en la nota del examen acumulativo del 30%.
TALLER "EL TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR"
1. ¿Normalmente, qué tipo de señal se amplifica con ayuda de los transistores?
2. ¿Porqué no se amplifican señales continuas?
3. ¿En un amplificador con transistores, la señal continua para qué utiliza?
4. Graficar la configuración "Amplificador Emisor Común"
5. Explicar para qué se utilizan las resistencias R1 y R2 de dicha configuración.
6. ¿Cuál es el capacitor de bloqueo y para qué se utiliza en esta configuración?
7. ¿Para que se utiliza la resistencia Re y que problema genera? ¿Cómo se resuelve este problema?
8. Escriba las fórmulas para el voltaje de salida, ganancia de voltaje, ganancia de corriente, ganancia de potencia, Zin y Zo.
9. ¿Qué significan las letras β, hfe y hie?
10. Graficar la configuración "Amplificador Colector Común"
11. ¿Tiene una impedancia de entrada muy alta o muy baja?
12. ¿Tiene una impedancia de salida muy baja o muy alta?
13. Escriba las fórmulas para el voltaje de salida, la ganancia de tensión y la impedancia de entrada.
14. ¿Porqué es mejor una impedancia de entrada alta en un amplificador?
15. ¿Para qué se usan esta clase de circuitos?
16. Graficar la configuración "Amplificador Base Común"
17. ¿La impedancia de entrada es baja o alta? ¿Entre qué valores aproximadamente?
18. ¿La impedancia de salida es alta o baja? ¿Entre qué valores aproximadamente?
19. ¿La ganancia o factor de amplificación es igual o superior a qué valor?
20. ¿Qué es el factor de potencia o amplificación?
Entregar el viernes 3 de Junio a primera hora, a más tardar...
