Tengo un club de electrónica/ciencia en mi escuela, y estaba tratando de explicar los principios básicos de cómo los transistores pueden actuar como un interruptor y amplificar y luego construir un pequeño circuito detector de agua la semana siguiente. Me costaba mucho explicárselo y no acababan de entenderlo.
¿Hay alguna sugerencia sobre cómo explicar los conceptos electrónicos (específicamente los transistores) a un nivel que sea comprensible para los estudiantes de secundaria?
Así es como los explico en un curso para radioaficionados que estudian para obtener su licencia completa en el Reino Unido
SEMICONDUCTORES, DIODOS Y TRANSISTORES
ELECTRONES Y AGUJEROS
Pensemos en una fila de monedas de un céntimo colocadas en línea, tocándose, a lo largo de una mesa. Mueve el centavo del extremo derecho un centavo hacia la derecha, dejando un hueco. A continuación, sigue moviendo el céntimo de la izquierda del hueco hacia el espacio. A medida que avanzas, todos los céntimos se han movido hacia la derecha y el hueco se ha desplazado por la mesa hacia la izquierda. Ahora imagina que los céntimos son electrones, y podrás ver cómo los electrones que se mueven en un sentido a través de un semiconductor hacen que los huecos se muevan en sentido contrario.
Para estirar la analogía, podríamos utilizar pequeños montones de monedas de un céntimo, de modo que muchas tienen que moverse a la derecha antes de que un agujero se mueva a la izquierda. O podríamos tener pocos centavos y mucho espacio, de modo que los agujeros se desplazan con facilidad a medida que los escasos centavos se mueven por los amplios espacios. Estos dos casos modelan las dos formas de Silicio dopado, muchos electrones añadidos y tenemos el tipo N, muchos agujeros (electrones eliminados) y tenemos el tipo P. Los tipos se consiguen mezclando (dopando) el Silicio con pequeñas cantidades de otros metales.
Al tener que luchar los electrones a través de los átomos de un semiconductor, su resistividad es relativamente alta. Los primeros semiconductores utilizaban el germanio, pero, salvo en casos especiales, hoy en día el silicio es la opción universal.
El alambre de cobre puede visualizarse como si tuviera grandes pilas de electrones de centavos, todos juntos, por lo que una corriente es el movimiento de los pocos centavos en la parte superior de las pilas, no se producen agujeros en absoluto. Con tantos disponibles para la corriente, la resistividad, como sabemos, es baja.
DIODO
El diodo semiconductor más común (hay otros tipos especializados) tiene una unión entre el tipo N y el tipo P, donde los dos tipos se funden. Si se aplica un voltaje al diodo, positivo en el extremo de tipo N y negativo en el otro, los electrones son atraídos hacia el extremo positivo, dejando huecos en el extremo negativo. Al no haber apenas electrones en el medio, casi no puede fluir la corriente. El diodo está "polarizado en sentido inverso".
Cuando el voltaje se aplica en el otro sentido, negativo en el extremo de tipo N y positivo en el de tipo P, los electrones son atraídos hacia el centro y pueden cruzar para anular los agujeros en el tipo P, y fluir hacia el cable de conexión. En el otro extremo, de tensión negativa, los electrones son repelidos hacia el centro del diodo, para ser sustituidos por los que llegan desde el cable, de modo que en general puede fluir fácilmente una corriente: el diodo está polarizado hacia delante.
Las conexiones de un diodo se denominan "ánodo", que es el extremo positivo cuando el diodo está polarizado hacia delante, y "cátodo", que es el extremo negativo. Lo recuerdo por analogía con los mismos términos para las válvulas, que necesitan un alto voltaje positivo (H.T. por "High Tension" - no se acerque a los dedos) en el ánodo para que fluya la corriente. Una buena nemotecnia para la polaridad de un diodo polarizado hacia adelante podría ser PPNN: "Positivo, tipo P, tipo N, negativo".
Un diodo varactor aprovecha el hecho de que dos zonas de carga separadas, la positiva y la negativa, forman un crudo condensador. Por ello, se fabrican diodos especialmente diseñados para aprovechar este hecho, cuando se invierte la polaridad. La tensión aplicada separa las cargas, formando una "capa de agotamiento" entre los contactos. El aumento de la tensión inversa aplicada hace que esta capa de agotamiento se amplíe, reduciendo así la capacidad, y viceversa. Los diodos varactores se utilizan habitualmente en los circuitos sintonizados para variar la frecuencia, sustituyendo a los condensadores vanados que se utilizaban en la época de las válvulas.
TRANSISTOR BIPOLAR
Un transistor bipolar es aquel cuyo funcionamiento depende tanto de los electrones como de los huecos. Se compone de dos diodos que comparten una capa central común. Uno de los terminales exteriores es el Colector C y el otro el Emisor E. La conexión central es la Base B, y forma parte de los diodos CB y BE. Así que tenemos un sándwich de tres capas. En el uso normal, el diodo entre C y B está polarizado en sentido inverso, por lo que, sin la presencia del diodo BE y su efecto, no fluiría ninguna corriente, porque todos los electrones son arrastrados hacia un extremo de la sección CB, y los huecos hacia el otro extremo, como en un diodo, por la tensión aplicada.
El diodo BE está polarizado hacia adelante, por lo que puede fluir una corriente y el circuito externo está configurado para limitarla a un valor bastante pequeño, pero todavía hay una gran cantidad de agujeros y electrones que fluyen a través de la base y el emisor.
Ahora la parte inteligente. La conexión común de los diodos CB y BE en la Base se hace muy fina, por lo que la avalancha de electrones y agujeros en la parte BE reemplaza a los que la tensión inversa del Colector ha retirado, y una corriente puede ahora fluir a través de este diodo CB en la dirección inversa, y luego a través de la unión BE con polarización hacia adelante al Emisor y hacia fuera en el circuito externo.
Creo que es obvio que no se puede hacer un transistor soldando dos diodos espalda con espalda, la acción requiere que se comparta íntimamente la fina capa dentro del Silicio.
La corriente de colector depende de que haya una corriente de base fluyendo, y el transistor está diseñado para que una pequeña corriente en el diodo BE abra el camino a una corriente mucho mayor en la unión CB. De este modo, tenemos una amplificación de la corriente. Utilizando las caídas de tensión a través de las resistencias externas, esto puede convertirse en una amplificación de la tensión.
Estos transistores se denominan "bipolares" porque efectivamente tienen dos uniones.
He evitado cuidadosamente mencionar el tipo de material en los diodos CB y BE, las ideas son las mismas para ambos, y podemos tener NPN o PNP como las posibles capas. La flecha, en el emisor, en el símbolo, que muestra la dirección de la corriente de colector convencional (lo contrario del flujo de electrones), apunta en la dirección del lado negativo de la tensión CE aplicada, por lo que la corriente es "fuera de N o en P en el emisor".
TRANSISTOR DE EFECTO DE CAMPO, o FET
Hay muchos diseños diferentes de FET, y esta es una visión muy simplista de su principio básico.
Se trata de transistores "unipolares", aunque el término no se utiliza a menudo, porque su funcionamiento depende sólo de los electrones y los campos eléctricos, no de los agujeros.
Aquí tenemos un solo bloque de silicio dopado, el "canal", con grumos del tipo opuesto en los lados, o como un anillo circundante. Por lo tanto, sólo tenemos una unión de diodos, que se denomina puerta G, entre los terrones o el anillo y el canal. El canal actúa como una resistencia, con una corriente que fluye desde un extremo, la fuente S, hasta el otro, el drenaje D. La unión entre la puerta y el canal está polarizada en sentido inverso, por lo que no fluye la corriente, pero se establece un campo eléctrico que atrae las cargas, electrones o huecos, hacia los lados del canal, dejando menos disponibles para la corriente SD. Por lo tanto, tenemos la corriente SD controlada por el voltaje en la puerta.
Obsérvese que se trata de un dispositivo controlado por tensión, prácticamente no entra ni sale corriente de la compuerta. Piensa en la ley de Ohm: Resistencia = Voltios/Amperios, y vemos que una corriente muy baja significa una Resistencia muy alta, por lo que se dice que el FET tiene una impedancia de entrada muy alta -- su principal ventaja sobre el Bipolar, donde, por el contrario, se necesita poco voltaje para enviar la corriente a través de la base, dándole una baja impedancia de entrada
Primero tienen que entender la tensión y la corriente. Cuando lo hacen, el funcionamiento básico de un transistor no es difícil de explicar.
Para simplificar las cosas, me quedaría con el canal NPN y N. Puede introducir el canal PNP y P una vez que se sientan cómodos con el funcionamiento básico de los dispositivos N. Para un BJT NPN, un poco de corriente a través de B-E permite mucha corriente a través de C-E. En el caso de los MOSFET de canal N, D-S es como un interruptor que se apaga cuando la puerta está a 0 V y se enciende cuando la puerta está a 5 V o 12 V, dependiendo de la pieza concreta.
Hay muchos matices y algunos FETs funcionan de forma diferente, pero yo introduciría sólo estos aspectos básicos al principio. En realidad, elegiría un NPN o un NFET para empezar, dejaría que se sintieran cómodos con eso, y luego introduciría más detalles de esa parte o diferentes partes a un nivel amplio similar.
Los FET son probablemente un poco más fáciles de conceptualizar al principio, pero son más difíciles de trabajar experimentalmente. Para empezar, yo elegiría un transistor NPN básico y razonablemente robusto, como el 2N4401. Vienen en paquetes TO-92, por lo que son fáciles de conectar a las placas de circuito impreso, son baratísimos y, de hecho, es bastante difícil que exploten si utilizas unas cuantas pilas para la fuente de alimentación.
Ignora los problemas de ESD por ahora. Estos dispositivos pueden ser dañados por la ESD, pero no tan fácilmente como un MOSFET. Consigue 100 2N4401 y otros 100 2N4403 para más adelante, cuando llegues a los transistores PNP. Hay montones y montones de proyectos sencillos que puedes hacer con ellos, incluso con un conocimiento muy básico de los BJT.
En mi opinión, has impartido las clases en el orden equivocado. La teoría es mucho más fácil de entender después de haber experimentado con un ejemplo práctico. Yo habría empezado con el circuito del detector de agua, y lo habría introducido algo así:
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