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DE
T AP APA A
Probador Activo de Semiconductores A lo largo de los los años hemos publicado publicado muchos muchos circuitos en- cargados de probar el estado de diodos y transis- tores, sin embargo, el circuito que propone- mos permite verificar el estado cuantitativo y cualitativo de los componentes, indican- do una ganancia estática estimada en el caso de los transistores. Debe tener en cuenta que los transistores bipolares siguen siendo “vigentes” en la electrónica actual a tal punto que no existirían integrados si no fuese por estos componentes. El proyecto es una me- jora del circuito cir cuito presentado en Saber Electrónica Nº 113. Autor: Autor: Horacio Daniel Va Vallejo llejo e-mail:
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Introducción
mientras que no permitirá el paso de dicho flujo en la dirección opuesta. Nuestro circuito permite medir el Este dispositivo se forma cuanestado de transistores y semicon- do se combina una oblea de semiductores en general, ya sea en for- conductor tipo N con una oblea de ma pasiva o dinámica. semiconductor tipo P. Pero antes de describir el funcioLa figura 2 ilustra la acción de la namiento del equipo, veamos un po- juntura P-N. El material denominaco la teoría de bandas de energía, do P contiene contiene un porcen porcentaje taje extreextretema que se describe con mayor de- madamente pequeño (del orden de dicación en el tomo 4 de la Enciclo- 0,00011%) de átomos impuros (con pedia de Electrónica Básica de una valencia +3). Estos átomos pronta aparición (figura 1). también llamados aceptores están representados en la figura 2 como círculos con signos negativos. Con cada átomo aceptador se observa La Juntura P-N un hueco representado con un sigDecimos que el diodo es un ele- no positivo. mento electrónico por el cual circuPor otro lado, en el material N de lará la corriente en una dirección, la figura 2 se tienen los átomos de Saber Sa ber Electró nic a
valencia +5, representados por los círculos con signo positivo. Los
Figura 1
Montaje
Figura 2 Figura 3
electrones libres, debidos a estos átomos denominados donores, se muestran con los signos negativos. Es importante hacer notar que tanto la oblea de material P como la de material N son eléctricamente neutras. Ocurre una redistribución de cargas cuando las dos obleas de materiales semiconductores se conectan. Algunos de los electrones libres del material N se transfieren al material P y se produce un fenómeno de recombinación con los hue-
cos en exceso. A su vez algunos de los huecos del material P viajan al material N y se recombinan con electrones libres. Como resultado de este proceso, el material P adquiere una carga negativa; y el material N una carga positiva. Esta redistribución de cargas se muestra en la figura 3. El proceso por el cual las cargas cruzan la juntura se denomina difusión, y como consecuencia, a ambos lados de la juntura se forma una
región o zona de carga espacial por la cual se formará una diferencia de potencial a través de dicha juntura. La rotura del equilibrio en una juntura P-N ocurre generalmente mediante la aplicación de un potencial externo. En la figura 4 se visualiza el efecto de dicho potencial sobre la juntura. En el diagrama 4.A la juntura sin polarización está en equilibrio. Consecuentemente la corriente que atraviesa la juntura debe ser nula, pues el circuito está abierto. En el diagrama 4.B, la polarización directa disminuye la barrera de potencial de la juntura. La corriente externa del circuito será, por consiguiente, muy grande. En el diagrama 4.C, la polarización inversa externa aumenta la barrera de potencial de la juntura, sólo quedará en el circuito una corriente prácticamente nula, determinada por los portadores minoritarios, que darán lugar a la corriente inversa del diodo. La característica principal de una juntura P-N es la de que constituye un rectificador que permite un flujo fácil de cargas en una dirección, pero que se opone a la circulación en la dirección opuesta. Consideremos ahora cualitativamente la acción como rectificador: Con polarización inversa (ver figura 5), la polaridad de la unión es tal que tiende a alejar los huecos (o lagunas) del material P, y los electrones del material N de la juntura.
Figura 4 Saber Electró nic a
Probador Activo de Semiconductores seen transistores sin denominación, por lo tanto, no se puede saber si se trata de un transistor PNP o NPN, ni si aún funciona o está defectuoso. En estos casos, resulta útil tener un aparato que nos permita saber rápidamente si el transistor es útil o está quemado y qué ganancia tiene, aproximadamente. Como la indicación de la ganancia del transistor bajo prueba se indica con el encendido de un diodo led, si en la primera escala se encendiera el diodo led que indica una ganancia de 300, podremos afirmar que su ganancia no es inferior a 300 ni mayor de 350, porque en este segundo caso se habrían encendido tanto el diodo led del 300 como el de 350. Si se encendiera el último diodo led del circuito de la figura 6, que indica una ganancia de 500, convendrá pasar a la segunda escala para comprobar si su ganancia es mayor, es decir, de 600 ó 700. Aunque este aparato es capaz
Figura 5
Ahora, la barrera de potencial en la juntura reduce el flujo de portadores mayoritarios (huecos en la región P y electrones en la región N). Se establece, por lo tanto, una pequeña corriente que se denomina corriente inversa de saturación y se la designa como Is. La corriente Is se incrementará con el aumento de la temperatura, pero será independiente de la tensión inversa aplicada. Al aplicar una tensión directa, el potencial que se establece en la juntura disminuye considerablemente, con lo cual los huecos se moverán de izquierda a derecha y constituirán una corriente en la misma dirección que
Figura 6
Saber Electró nic a
los electrones que se mueven de derecha a izquierda. Por consiguiente, la corriente resultante que atraviesa la unión es la suma de las corrientes de los huecos y de los electrones. Recordemos que el movimiento de huecos es en sentido figurado, ya que hay un desplazamiento de cargas que asemeja el movimiento de las lagunas.
Test de Ganancia de Transistores
Es muy frecuente que el técnico se encuentre con circuitos que po-
Montaje de indicar una ganancia de modo muy aproximado, siempre será más útil que aquellos aparatos que sólo indican si un transistor está quemado o funciona. Con respecto al circuito eléctrico, cuyo esquema se muestra en la figura 6, para evitar variaciones en la lectura, necesitamos obtener una tensión estabilizada, lo que se consigue obtenido de la pata 7 conectada a la pata 6 del integrado LM.3914 (ver IC2), la tensión estabilizada de referencia de 1,2 volt que suministra este integrado. Esta tensión se aplica a la pata no inversora 3 del operacional del CI1 - A. Este operacional lo utilizamos como amplificador CC con una ganancia de aproximadamente 6 veces, luego en su salida tendremos disponible una tensión perfectamente estabilizada de aproximadamente 7V. Esto significa que, si colocamos una batería de 9V y su tensión desciende por el desgaste, la alimentación del circuito permanece en 7V. Esta tensión estabilizada de 7V se aprovecha para alimentar los transistores Q1 y Q2, utilizados como generadores de corriente continua. Q1 se emplea para verificar transistores NPN (por eso es PNP), mientras que con Q2 se verifica el estado de los transistores PNP. D1 y D2 se utilizan para tener en la base una tensión de referencia negativa de aproximadamente 1,3V, respecto de su emisor, mientras que D3 y D4, conectados entre la base del transistor Q2 y la masa, se utilizan para tener en la base una tensión de referencia positiva de aproximadamente 1,3V, con respecto a su emisor. Para el análisis del circuito, observe que los colectores de Q1 y Q2 se conectan a las bases de los componentes a probar. Al colocar en los tres bornas EBC (arriba) un transistor NPN, su base será inmediatamente polariza-
Figura 7 La figura está al 80 % de su tamaño real.
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Probador Activo de Semiconductores da positivamente (respecto de su emisor) por la tensión que hay en el colector de Q1. Cuanto más alto sea el b de este transistor, más descenderá la tensión positiva en su colector. La tensión que hay en el “Colector” del transistor bajo prueba será aplicada a la pata de entrada inversora 6 del operacional IC1/B, utilizado como amplificador diferencial inversor de mosdo que al descender la tensión en el colector como consecuencia de un aumento del beta (b), en la pata de salida 7, la tensión aumentará. Esta tensión, que de un mínimo de 0,24V puede subir hasta un máximo de 2,5V, será aplicada a la pata de entrada 5 del integrado IC2 que funciona como "voltímetro" y que hará que se encienda uno de los diez diodos led, el correspondiente al valor de tensión aplicado a su entrada. La resistencia R13 dividirá por dos el valor de la tensión de salida del operacional, por lo cual, cuando en la salida de IC1/B haya la mínima tensión de 0,25V, a la entrada del LM.3914 llegarán sólo 0,125V y cuando haya la máxima tensión de 2,5V, a la entrada del LM.3914 llegarán sólo 1,25 volt. Aplicando a la entrada de IC2 una tensión de 0,12 V se encenderá el primer diodo led, con una tensión de 0,24V se apagará el primer diodo led y se encenderá el segundo diodo, con una tensión de 0,36V se encenderá el tercer diodo led y así sucesivamente, hasta que con una tensión de 1,2V se encenderá sólo el décimo y último diodo led. Si ahora se prueba un transistor insertado en las tres bornes "EBC", correspondientes a un transistor PNP, su base será de inmediato polarizada negativamente (respecto de su emisor) por la tensión que hay en el colector de Q2. Cuanto más alto sea el b de este transistor más subirá la tensión en los terminales de las resistencias Saber Electró nic a
R3-R4. Esta tensión se aplica a la pata 5 del integrado IC2 mediante la resistencia R16, que dividirá por dos su valor, de la misma forma que se ha explicado anteriormente. El doble interruptor S2/A - S2/S3 se utiliza para comprobar los transistores que tengan un beta comprendido entre 50 y 500, si no se cortocircuitan R1 - R4, y los transistores que tengan un beta comprendido entre 100 y 1.000 cuando cortocircuitemos las dos resistencias R1 - R4. Con P1 y P2 se ajustan las corrientes a aplicar en las bases de los transistores bajo prueba. El circuito impreso correspondiente a nuestro dispositivo, se muestra en la figura 7. Tanto el armado como el ajuste del dispositivo no requiere cuidados especiales. La mejor solución para ajustar los dos trimpots es la de utilizar un téster digital, situado en la escala de 200µA a fondo de escala de CC. Una vez alimentado el probador de transistores, conecten la punta negativa al borne “E” y la punta positiva al borne “B” del transistor NPN, luego giren el cursor del trimpot P1 hasta que se lean aproximadamente 10µA. Realizada esta operación, conecten la punta negativa al terminal “B” y la positiva al terminal “E” del transistor PNP, luego giren el cursor de P2 hasta leer una corriente de 1µA. Cuando no se sabe cuáles pueden ser los terminales EBC de un transistor, casi siempre se empieza por insertar los terminales al azar y luego se van cambiando hasta que se consiga encontrar la combinación que hace que se enciendan los diodos led. Si conectamos en este dispositivo un transistor y vemos que no se enciende ningún diodo led, podremos haber invertido los terminales EBC, por tanto, tendremos que realizar la correcta combinación hasta
que veamos que se enciende algún diodo led. Si no logramos hacer que se encienda ningún diodo led, podremos probar insertando el transistor en los otros terminales; es decir, si lo hemos probado en la toma NPN, lo pasaremos a la PNP o viceversa y, si de este modo los diodos led siguen apagados, podremos concluir que el transistor está quemado o que tiene un beta inferior a 50. No se prenderán los leds si interconecta un transistor NPN en los terminales correspondientes a un PNP y un transistor PNP en los bornes NPN, tampoco si invierten el terminal emisor y el colector. Si comprueban transistores de elevada potencia con ganancias inferiores a 50, los diodos led no se encenderán, incluso si los transistores funcionan correctamente. ✪ Lista de Materiales CI 1 – LM358 – Doble amplifica- dor operacional CI 2 – LM3914 – Circuito integra- do Q1 – BC558 – Transistor PNP de uso general Q2 – BC548 – Transistor NPN de uso general D1 a D4 – 1N4148 – Diodos de se- ñal S1 – Interruptor simple S2 – Interruptor inversor S3 – Interruptor inversor R1 a R4 – 180 Ω R5, R6 – 33k Ω R7 – 4k7 R8 – 120k Ω R9 – 5k6 R10 – 12k Ω R11, R12, R15 – 100k Ω R13, R14, R16 – 47k Ω P1, P2 – Pre-set de 50k Ω L1 a L10 – Leds de 5 mm color ro- jo Varios: Placa de circuito impreso, gabi- nete para montaje, pinzas coco- drilo para la prueba de transis- tores o conectores (a elección), fuente de alimentación, etc.
