Evolucin de la automatizacin industrial
Julio de 2014
Con motivo de la celebracin de los 70 aos, Reportero Industrial
ha preparado un especial sobre la evolucin de la automatizacin
industrial.
Gracias al desarrollo e innovacin de nuevas tecnologas, la
automatizacin de procesos industriales, a travs del tiempo, ha dado
lugar a avances significativos que le han permitido a las compaas
implementar procesos de produccin ms eficientes, seguros y
competitivos.
Con motivo de la celebracin de los 70 aos de Reportero
Industrial a continuacin podr consultar una breve historia sobre la
evolucin de la automatizacin industrial, especial que abarca desde
la invencin en 1947 del primer transistor, pasando por los
descubrimientos hechos en electrnica, hasta el PLC, la fbrica
digital y la simulacin virtual.
1947: La idea original: Fsicos John Bardeen, Walter Brattain y
William Shokkley desarrollan el primer transistor en los
laboratorios de Bell. Heinrich Grnebaum (en la imagen entre Jans
Lenze y la hija de Lenze, Elisabeth Belling en la Feria de Hannover
de 1952) desarroll el motor Alquist, que se convirti en el padrino
de los motores controlados. Revolucion los procesos de rebobinado
en muchos aos (60) de tecnologa de automatizacin.
1959: Primera herramienta de maquinado controlada por
computador. El primer controlador Simatic en un torno capstan fue
presentado en la sexta versin de la feria EMO de Pars. La lgica
todava era por cableado.
1967: Antes de la electrnica de potencia: Antes de que los
diodos, tiristores y los IGBTs estuvieran disponibles, las
corrientes eran rectificadas con rectificadores de selenio, o con
rectificadores de arco de mercurio gigantes emitiendo luz azul
misterioso.
Las unidades electrnicas. En 1967 AMK present el primer motor de
corriente de jaula de ardilla de tres fases infinitamente variable
de produccin masiva. Ocho aos despus otra innovacin de AMK permiti
que varios motores de tres fases fueran operados con sincronismos
angulares por primera vez.
1968: PLC: La exitosa historia del PLC empez con el Control
Industrial Modular de Dick Morley.
1978: A nivel de mquinas: dispositivos de programacin de la era
pre-PC eran muy grandes y pesados. La programacin CNC a nivel de
mquinas una vez ms introducido por AMK represent un proceso
notable.
1987: Coincidencia: un cliente solicit que un sistema de control
Beckhoff fuera equipado con un disco duro. La solucin ms simple fue
la de integrar un PC. Pronto se evidenci que el PC podra hacer ms
que actuar como un recolector de datos para el sistema de control,
y la era de los PC en la industria de la automatizacin arranc.
1997: Empuje de integracin: la tecnologa de automatizacin
consiste cada vez ms en un control descentralizado e inteligente y
con componentes de control que se puedan comunicar con otros
mediante Ethernet industrial. La historia de los transistores
iStockphoto/Thinkstock
En el ao 1956 el premio Nobel de fsica fue compartido por tres
grandes cientficos: William Bradford Shockley, John Bardeen y
Walter Houser Brattain por el que es considerado como el mayor
desarrollo tecnolgico del siglo XX: el transistor. La historia de
cmo se inici la carrera por la miniaturizacin de los dispositivos
tecnolgicos que an no ha terminado en nuestros das me parece
fascinante. Llena de brillantez, peleas y afn de superacin.
Por qu se construyeron los primeros transistores?
La construccin de los primeros transistores responda a una
necesidad tcnica: hacer llamadas telefnicas a larga distancia. Es
por esto que los descubridores de esta nueva tecnologa trabajaban
para la American Telephone and Telegraph Corporation (AT&T),
fundada por Alexander Graham Bell y conocida inicialmente como la
Bell Telephone Company.
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En 1906 el inventor Lee De Forest desarroll un triodo en un tubo
de vaco. Qu significado tuvo? Colocando este invento a lo largo de
la lnea telefnica se poda amplificar la seal lo suficiente como
para poder hacer llamadas a larga distancia. El triodo est
compuesto de tres partes: un ctodo que emite electrones, un nodo
que los capta y una rejilla situada entre los dos a la que se puede
aplicar tensin. Variando ligeramente la tensin de la rejilla
podemos variar enormemente el flujo de electrones entre el ctodo y
el nodo, en esto consiste la amplificacin de la seal elctrica en la
que se ha traducido la seal sonora.
Ryan McVay/Photodisc/Thinkstock
Adems poda utilizarse como rectificador (para convertir
corriente alterna en continua) y como una puerta que permitiese
pasar la corriente o no (on-off), la base de la electrnica y
computacin posterior. Es ms, uno de los limitantes en las primeras
computadoras era la gran cantidad de triodos que necesitaban. Pero
lo que no se les puede negar es que revolucionaron su poca al
permitir amplificar las seales de radio dando un impulso a este
medio de comunicacin que le llev a ser el ms importante durante la
primera mitad del siglo XX.
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AT&T rpidamente compr la patente y mejor el tubo. Pero surgi
un problema. Los tubos de vaco producan mucho calor, necesitaban
mucha energa y deban ser reemplazados continuamente. Era necesario
otro mtodo para amplificar la seal. Buscando respuestas la compaa
cre en 1926 un centro de investigacin conocido como Laboratorios
Telefnicos Bell (Bell Labs), responsable de descubrimientos tan
importantes como el lenguaje de programacin C, la astronoma radial,
el sistema operativo Unix, y lo que nos atae, el transistor.
iStockphoto/ThinkstockEl pensador, el experimentador y el
visionario
Despus de finalizada la Segunda Guerra Mundial el director del
laboratorio Mervin Kelly busc un grupo de cientficos que dieran con
la solucin a los problemas que causaba el tubo de vaco y tena algo
en mente para reemplazarlo: los semiconductores. Qu es un
semiconductor? Un elemento que en determinadas condiciones puede
conducir la electricidad (por ejemplo, a una temperatura alta),
pero si cambiamos esas condiciones deja de permitir el paso de
electrones. Los ms importantes son el silicio (Si) y el germanio
(Ge).
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El director del nuevo equipo de investigadores fue William
Shockley, un visionario capaz de ver la importancia de los
transistores antes que nadie, Walter Brattain, un fsico
experimental capaz de construir y reparar prcticamente cualquier
cosa y John Bardeen, capaz de ir ms all en la comprensin de los
fenmenos aparentemente complejos y exponerlos de la manera ms
sencilla posible. Tres personajes con una marcada personalidad, lo
que les llevara a alguna que otra confrontacin, lo que se manifest
a la hora de repartirse los mritos.
En 1947, durante el conocido como "Mes milagroso" entre el 17 de
noviembre y el 23 de diciembre realizaron infinidad de pruebas para
mejorar el dispositivo hasta llegar a conseguir su objetivo: el
primer transistor de contacto puntual, hecho con dos pas de metal
(oro) que se presionan sobre la superficie de material
semiconductor (germanio) en posiciones muy prximas entre s.
Choque de egos
Shockley pensaba que l era el merecedor de la gloria, era el
supervisor y haba aportado la idea inicial. As que decidi patentar
el transistor a su nombre. A decir verdad Shockley mejor
considerablemente el transistor en un mes, creando el transistor de
unin. Bardeen pronto describi la situacin como intolerable.
Eran habituales las imgenes de prensa en las que apareca en un
primer plano Shockley sentado al lado de un microscopio con Bardeen
y Brattain detrs de l mirndole. Brattain admiti despus que odiaba
esa foto. Ya no podan seguir trabajando juntos.
Y cada uno sigui su camino, Brattain como profesor en el Whitman
College, Bardeen como fsico terico en la Universidad de Illinois, y
Shockley fund su propia compaa de semiconductores, la primera de su
tipo en lo que lleg a ser Silicon Valley, aunque conocida por no
ser nunca capaz de sacar un producto comercialmente viable.
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El impacto de los transistores fue enorme, transformaron el
mundo de la electrnica y el diseo de computadoras al permitir
disminuir infinitamente su tamao al librarse de los voluminosos y
frgiles triodos de vaco. Y as comenzaron a disminuir las tallas de
nuestros dispositivos electrnicos. Hasta hoy da, en el que empieza
a ser comn un mvil con el tamao de un reloj. Hasta dnde crees t que
llegaremos?
Historia de laInformatica
INFORMATICA O COMPUTACION
Hablar de computacin es hablar de un tema apasionante en todos
lo sentidos, ya que nos hacen discutir sobre las tecnologas. Pero
unas de las importancias de hablar de esta rama de computacin o
informtica es hablar de las necesidades del ser humano que tiende
al nuevo desarrollo individual al aprendizaje de la computadora. El
primer instrumento que se utilizo para el calculo fue el Abaco lo
inventaron los chinos y lo utilizaron los romanos hasta el siglo
AC.La evolucin de la informtica lo situamos en el siglo XVII, por
el cientfico Frances Blas Pascal quien invento una maquina
calculadora esta solo servia para hacer sumas y restas, pero este
dispositivo sirvi como base para el cientfico alemn Leibnitz, en el
siglo XVIII, que desarrollo una maquina que ademas de realizar las
operaciones de adiccin y sustraccin pudo efectuar operaciones de
producto y cociente. Ya en el siglo XIX se comercializaron las
primeras maquinas de calcular, en este siglo el matemtico ingles
Babbgade desarrollo lo que se llamo Maquina analtica, lo cual poda
realizar cualquier operacin matemtica, lo interesante de esta
maquina es que poda almacenar 1000 numeros de 50 cifras y hasta
poda usar funciones auxiliares, pero sin embargo segua teniendo la
limitacin de ser mecnica.Sus Generaciones:Primera Generacin (1940 a
1952)
Las vlvulas de vaco constituyen en el principal elemento de
control para las computadoras de esta generacin. Eran computadoras
de tamao sumamente grande y bastante lento, que utilizaban gran
cantidad de electricidad y generaban mucho calor. Su uso
fundamental fue en aplicaciones cientficas y militares se empieza a
usar el sistema binario para representar la informacin. Utilizaba
como lenguaje de programacin el lenguaje maquina. Para conservar la
informacin se usaban tarjetas perforadas, la cinta y las lineas de
demora de mercurio.Segunda Generacin (1952 a 1964)Tubos al
Vacio
Se sustituye la vlvula de vaco por el transistor. Los
transistores eran mas rpidos, pequeos y mas confiables que los
tubos al vaco. Las maquinas ganaron potencia y fiabilidad,
disminuyendo el tamao el consumo y el precio. Se expanden los
campos de aplicacin. Se utiliza el lenguaje de programacin
evolucionados, que hacen mas sencilla la programacin.Tercera
Generacin (1964 a 1971)Transistores
En 1964 surge el circuito integrado (chip) consista en una gran
cantidad de componentes electrnicos en una miniatura de una
pastilla. Asi las computadoras pudieron hacerse mas pequeas,
ligeras y eficientes. consuman menos electricidad, por lo tanto
generaban menos calor. Hubo un gran desarrollo de los sistemas
operativos, en los que incluyo la miltiprogramacin, el tiempo real
y el modo interactivo. Comienza a utilizarse las memorias de
semiconductores y los discos magnticos.Cuarta Generacin (1971 a
1981) Circuito Integrado
En 1971 aparece el microprocesador, que permite la integracin
del CPU de una computadora en un solo circuito integrado. Esta
tecnologa permite la fabricacin de microcomputadoras y computadoras
personales, as como las computadoras monopastilla.Contiene la
unidad de control y la unidad aritmtica lgica.Como unidad de
almacenamiento externo utiliza el disquete (floppy disk).Quinta
Generacin (1981 a 1990) Microprocesador
La diferencia de esta generacin es la interconexion entre otro
tipo de computadoras, dispositivos y redes integradas. Utilizacin
del lenguaje natural (lenguaje de quinta generacin). Integracin de
datos, imgenes y voz (entornos multimedia).Sexta Generacin (1990
hasta la actualidad)
Se caracteriza por la evolucin de las computadoras a la par de
la tecnologa. La miniaturizacin de componentes en las mquinas y su
reduccin en costo conllevan a sistemas de alta capacidad. El uso de
redes se hacen comn, con grandes velocidades y la integracin de
servicios de video de calidad, voz y otros datos multimedia en
tiempo real.Transistor
Un transistor es un dispositivo semiconductor que se utiliza
para amplificar y conmutar seales electrnicas y potencia elctrica.
Se compone de material semiconductor con por lo menos tres
terminales para la conexin a un circuito externo. Un voltaje o
corriente aplicada a un par de terminales del transistor cambia la
corriente a travs de otro par de terminales. Debido a que la
potencia controlada puede ser superior a la potencia de control, un
transistor puede amplificar una seal. Hoy en da, algunos
transistores estn empaquetados individualmente, pero muchos ms se
encuentran incrustados en los circuitos integrados.
El transistor es el componente fundamental de los dispositivos
electrnicos modernos edificio, y es ubicuo en los sistemas
electrnicos modernos. Tras su desarrollo en la dcada de 1950, el
transistor revolucion el campo de la electrnica, y allan el camino
para radios pequeos y ms baratos, calculadoras y computadoras,
entre otras cosas.
Historia
El triodo termoinico, un tubo de vaco inventado en 1907, impuls
a la edad de la electrnica hacia adelante, lo que permite la
tecnologa de radio amplificada y telefona de larga distancia. El
triodo, sin embargo, era un dispositivo frgil que consume mucha
energa. El fsico Julius Edgar Lilienfeld present una patente para
un transistor de efecto de campo en Canad en 1925, que estaba
destinado a ser un reemplazo de estado slido para el triodo.
Lilienfeld tambin solicit patentes idnticos en los Estados Unidos
en 1926 y 1928. Sin embargo, Lilienfeld no public ningn artculo de
investigacin acerca de sus dispositivos ni sus patentes citar
ejemplos concretos de un prototipo de trabajo. Dado que la
produccin de materiales semiconductores de alta calidad todava a
dcadas de distancia, las ideas amplificadores de estado slido de
Lilienfeld no han encontrado un uso prctico en los aos 1920 y 1930,
aunque este dispositivo haba sido construido. En 1934, el inventor
alemn Oskar Heil patent un dispositivo similar.
De 17 noviembre 1947 a 23 diciembre 1947, John Bardeen y Walter
Brattain en AT y T Bell Labs en los Estados Unidos, realizaron
experimentos y observaron que cuando dos contactos puntuales oro se
aplicaron a un cristal de germanio, una seal se produce con la
salida potencia mayor que la de entrada. Fsica del estado slido
lder del Grupo William Shockley vio el potencial en esto, y en los
prximos meses trabaj para expandir en gran medida el conocimiento
de los semiconductores. El trmino transistor fue acuado por John R.
Pierce como un acrnimo de la expresin "resistencia de
transferencia". Segn Lillian Hoddeson y Vicki Daitch, autores de
una biografa de John Bardeen, Shockley haba propuesto que la
primera patente de Bell Labs para un transistor debe basarse en el
efecto de campo y que se le denomina como el inventor. Habiendo
descubierto Lilienfelds patentes que entraron en obscuridad ao
anterior, los abogados de Bell Labs desaconsejados propuesta de
Shockley ya que la idea de un transistor de efecto de campo que
utiliza un campo elctrico como una "red" no era nueva. En cambio,
lo que Bardeen, Brattain y Shockley inventaron en 1947 fue el
primer transistor de contacto bipolar. En reconocimiento de este
logro, Shockley, Bardeen y Brattain recibieron conjuntamente el
Premio Nobel 1956 de Fsica "por sus investigaciones sobre los
semiconductores y su descubrimiento del efecto transistor."
En 1948, el transistor de contacto se invent de forma
independiente por los fsicos alemanes Herbert Matar y Heinrich
Welker mientras trabajaba en la Compagnie des Freins et Signaux,
filial Westinghouse situado en Pars. Matar tena experiencia previa
en el desarrollo de los rectificadores de cristal de silicio y
germanio en el esfuerzo de radar alemn durante la Segunda Guerra
Mundial. Usando este conocimiento, l comenz a investigar el fenmeno
de la "interferencia" en 1947 - Dando testimonio corrientes que
fluyen a travs de puntos de contacto-, similar a lo Bardeen y
Brattain haban logrado antes en diciembre de 1947, Matar antes de
junio de 1948, fue capaz de producir resultados consistentes
mediante el uso de muestras de germanio producido por Welker. Al
darse cuenta de que los cientficos de Bell Labs ya haban inventado
el transistor delante de ellos, la compaa se apresur a conseguir su
"transistron" en la produccin para el uso ampliado de la red
telefnica de Francia.
El primer transistor de alta frecuencia era la superficie de
barrera transistor de germanio desarrollado por Philco en 1953,
capaz de operar hasta a 60 MHz. stos fueron hechos por ataque
depresiones en una base de germanio tipo n de ambos lados con
chorros de sulfato de indio hasta que estaba a unos diez milsimas
de pulgada de espesor. Indio galvanizado en las depresiones form el
colector y el emisor. La primera radio de coche todo-transistor que
se produjo en 1955 por Chrysler y Philco, utiliza estos
transistores en sus circuitos y tambin fueron los primeros adecuado
para ordenadores de alta velocidad.
El primer transistor de silicio producido por Texas Instruments
en 1954. Esta fue la obra de Gordon Teal, un experto en el cultivo
de cristales de alta pureza, que haba trabajado previamente en los
laboratorios Bell. El primer transistor MOS en realidad fue
construida por Kahng y Atalla en los Laboratorios Bell en 1960.
En marzo de 2013 investigadores estadounidenses de la
Universidad de Stanford anunciaron que haban construido un
transistor de molculas de ADN y ARN.
Importancia
El transistor es el componente activo clave en prcticamente
todos los aparatos electrnicos modernos. Muchos lo consideran como
uno de los grandes inventos del siglo 20. Su importancia en la
sociedad actual se basa en su capacidad de ser producidos en masa
usando un proceso altamente automatizado que logra
sorprendentemente bajos costos por transistor. La invencin del
primer transistor en los laboratorios Bell fue nombrado IEEE
Milestone en 2009.
Aunque varias empresas producen cada uno ms de mil millones de
transistores empaquetados individualmente cada ao, la gran mayora
de los transistores ahora se producen en los circuitos integrados,
junto con los diodos, resistencias, condensadores y otros
componentes electrnicos, para producir circuitos electrnicos
completos. Una puerta lgica consta de hasta una veintena de
transistores, mientras que un microprocesador avanzado, a partir de
2009, se puede utilizar tanto como 3 millones de transistores.
"Alrededor de 60 millones de transistores fueron construidas en
2002 ... para hombre, mujer y nio en la Tierra."
Bajo costo del transistor, la flexibilidad y la fiabilidad han
convertido en un dispositivo omnipresente. Circuitos
transistorizados mecatrnicos han sustituido a los dispositivos
electromecnicos en el control de aparatos y maquinaria. A menudo es
ms fcil y ms barato de utilizar un microcontrolador estndar y
escribir un programa de ordenador para llevar a cabo una funcin de
control de disear una funcin de control mecnico equivalente.
Funcionamiento simplificado
La utilidad esencial de un transistor proviene de su capacidad
de utilizar una pequea seal aplicada entre un par de sus terminales
para controlar una seal mucho ms grande en el otro par de
terminales. Esta propiedad se llama ganancia. Un transistor puede
controlar su salida en proporcin a la seal de entrada, es decir,
que puede actuar como un amplificador. Alternativamente, el
transistor se puede utilizar para activar o desactivar la corriente
en un circuito como un interruptor controlado elctricamente, en
donde la cantidad de corriente se determina por otros elementos de
circuito.
Hay dos tipos de transistores, que tienen ligeras diferencias en
la forma en que se utilizan en un circuito. Un transistor bipolar
tiene terminales etiquetados base, colector y emisor. Una pequea
corriente en el terminal de base puede controlar o conmutar una
corriente mucho ms grande entre el colector y terminales del
emisor. Para un transistor de efecto de campo, los terminales estn
etiquetados puerta, fuente y drenaje, y una tensin en la puerta
pueden controlar una corriente entre la fuente y el drenaje.
La imagen de la derecha representa un transistor bipolar tpica
en un circuito. Carga fluir entre emisor y los terminales de
colector en funcin de la corriente en la base. Desde internamente
las conexiones de base y el emisor se comporta como un diodo
semiconductor, una cada de tensin se desarrolla entre la base y el
emisor, mientras que existe la corriente de base. La cantidad de
esta tensin depende del material del transistor est hecho de, y se
conoce como VBE.
Transistor como interruptor
Los transistores se utilizan como interruptores electrnicos,
tanto para aplicaciones de alta potencia, tales como fuentes de
alimentacin conmutadas y para aplicaciones de baja potencia tales
como puertas lgicas.
En un circuito de transistor conectado a tierra-emisor, tal como
el circuito-interruptor de la luz se muestra, como los aumentos de
tensin de base, las corrientes de emisor y colector aumentan
exponencialmente. La tensin de colector cae debido a la disminucin
de la resistencia del colector al emisor. Si la diferencia de
tensin entre el colector y el emisor fuera cero, la corriente de
colector estara limitada slo por la resistencia de carga y la
tensin de alimentacin. Esto se llama saturacin porque la corriente
fluye desde el colector al emisor libremente. Cuando se satura el
interruptor se dice que es el.
Proporcionar suficiente corriente de excitacin de base es un
problema clave en el uso de transistores bipolares como
interruptores. El transistor proporciona ganancia de corriente, lo
que permite una corriente relativamente grande en el colector que
se conecta por una corriente mucho ms pequea en el terminal de
base. La relacin de estas corrientes vara dependiendo del tipo de
transistor, e incluso para un tipo particular, vara en funcin de la
corriente de colector. En el ejemplo de circuito-interruptor de la
luz se muestra, la resistencia se elige para proporcionar
suficiente corriente de base para asegurar el transistor estar
saturado.
En cualquier circuito de conmutacin, se elegiran los valores de
tensin de entrada de tal manera que la salida es completamente
fuera de, o completamente en. El transistor acta como un
interruptor, y este tipo de operacin es comn en los circuitos
digitales, donde los valores slo "on" y "off" son relevantes.
Transistor como un amplificador
El amplificador de emisor comn est diseado de manera que un
pequeo cambio en los cambios de voltaje de la pequea corriente a
travs de la base del transistor; amplificacin de corriente del
transistor combinado con las propiedades del circuito significa que
las pequeas oscilaciones de Vin producen grandes cambios en
Vout.
Varias configuraciones de amplificador de transistor solo son
posibles, con un poco de proporcionar ganancia de corriente, un
poco de ganancia de voltaje, y un poco de ambos.
Desde telfonos mviles hasta televisores, un gran nmero de
productos incluyen amplificadores de reproduccin de sonido, radio
transmisin y procesamiento de seales. Los primeros amplificadores
de audio transistores discretos apenas suministrados unos pocos
cientos de milivatios, pero el poder y la fidelidad de audio
aumentaron gradualmente a medida que se dispusiera de mejores
transistores y arquitectura amplificador evolucionaron.
Amplificadores de audio transistores modernos de hasta unos
pocos cientos de vatios son comunes y relativamente barato.
Comparacin con los tubos de vaco
Antes del desarrollo de los transistores, los tubos de vaco
fueron los principales componentes activos en los equipos
electrnicos.
Ventajas
Las principales ventajas que han permitido a los transistores
para reemplazar a sus predecesores de tubo de vaco en la mayora de
las aplicaciones son
Sin consumo de potencia por un calefactor de ctodo.
Pequeo tamao y peso mnimo, lo que permite el desarrollo de
dispositivos electrnicos miniaturizados.
Bajo tensiones de alimentacin compatible con las bateras de slo
unas pocas clulas.
No hay perodo de calentamiento de filamentos catdicos necesarios
despus de la aplicacin de energa.
Baja disipacin de potencia y en general una mayor eficiencia
energtica.
Una mayor fiabilidad y una mayor robustez fsica.
Extremadamente larga vida. Algunos dispositivos transistorizados
han estado en servicio por ms de 50 aos.
Dispositivos complementarios disponibles, facilitando el diseo
de circuitos de simetra complementaria, algo que no es posible con
tubos de vaco.
Insensibilidad a golpes y vibraciones, evitando as el problema
de microfona en aplicaciones de audio.
Limitaciones
De alta potencia, el funcionamiento de alta frecuencia, tal como
el utilizado en ms de la radiodifusin de televisin de aire, se
consigue mejor en tubos de vaco debido a la mejora de la movilidad
de electrones en un vaco.
Dispositivos de estado slido son ms vulnerables a las descargas
electrostticas en el manejo y operacin
Un tubo de vaco momentneamente sobrecargado se acaba de obtener
un poco ms caliente, dispositivos de estado slido tienen menos masa
para absorber el calor debido a las sobrecargas, en proporcin a su
calificacin
La sensibilidad a la radiacin y los rayos csmicos.
Los tubos de vaco crean una distorsin, el llamado tubo de
sonido, que algunas personas encuentran a ser ms tolerable para el
odo.
Tipos
Los transistores se clasifican por
Material semiconductor: la metaloides germanio y silicio - en
amorfo, policristalino y monocristalino forma, el arseniuro de
galio y los compuestos de carburo de silicio, la aleacin de
silicio-germanio, el altropo de grafeno de carbono, etc-ver el
material Semiconductor
Estructura: BJT, JFET, IGFET, IGBT, "otros tipos"
Polaridad elctrica: NPN, PNP, N-canal, canal P
La potencia nominal mxima: bajo, medio, alto
Frecuencia mxima de funcionamiento:,,, radiofrecuencia alto
medio bajo, microondas
Uso: interruptor, de uso general, de audio, de alta tensin,
super-beta, par emparejado
Embalaje fsica: agujero pasante de metal, montaje en taladro
plstico, montaje en superficie, ball grid array, mdulos de
potencia, ver Packaging
Factor de amplificacin HFE o F
Por lo tanto, un transistor en particular puede ser descrito
como de silicio, montaje en superficie, BJT, NPN, de baja potencia,
el interruptor de alta frecuencia.
Transistor de unin bipolar
Los transistores bipolares se llaman as porque se llevan a cabo
utilizando tanto la mayora y los portadores minoritarios. El
transistor de unin bipolar, el primer tipo de transistor para ser
producido en masa, es una combinacin de dos diodos de unin, y se
forma ya sea de una fina capa de semiconductor de tipo p
intercalada entre dos semiconductores de tipo n, o una capa delgada
de semiconductor tipo n intercala entre dos semiconductores de tipo
p. Esta construccin produce dos uniones pn: una unin base-emisor y
una unin base-colector, separadas por una regin delgada de
semiconductores conocida como la regin de base.
El BJT tiene tres terminales, correspondientes a las tres capas
de semiconductores - un emisor, una base y un colector. Es til en
los amplificadores, porque las corrientes en el emisor y el
colector son controlables por una relativamente pequea corriente de
base. "En un transistor NPN de funcionamiento en la regin activa,
la unin emisor-base est polarizado directamente, y los electrones
se inyectan en la regin de base . Debido a que la base es estrecha,
la mayora de estos electrones se difundir en la polarizacin inversa
unin base-colector y ser barrido en el colector; tal vez una
centsima parte de los electrones se recombinan en la base, que es
el mecanismo dominante en la base actual. Mediante el control del
nmero de electrones que pueden dejar la base, el nmero de
electrones que entran en el colector puede ser controlado. La
corriente de colector es de aproximadamente veces la corriente de
base. Es tpicamente mayor que 100 para los transistores de pequea
seal, pero puede ser ms pequea en los transistores diseados para
aplicaciones de alta potencia.
A diferencia del transistor de efecto de campo, el BJT es un
dispositivo de baja impedancia de entrada. Tambin, como la tensin
de base-emisor se incrementa la corriente de base-emisor y por lo
tanto el aumento de la corriente de colector-emisor de manera
exponencial de acuerdo con el modelo de diodo Shockley y el modelo
de Ebers-Moll. Debido a esta relacin exponencial, el BJT tiene una
transconductancia ms alto que el FET.
Los transistores bipolares se pueden hacer para llevar a cabo
por exposicin a la luz, ya que la absorcin de los fotones en la
regin de la base genera una fotocorriente que acta como una
corriente de base, la corriente de colector es aproximadamente
veces la fotocorriente. Los dispositivos diseados para este fin
tienen una ventana transparente en el paquete y se llaman
fototransistores.
Efecto de campo transistor
Artculo principal: transistor de efecto de campo, MOSFET y
JFET
El transistor de efecto de campo, a veces llamado un transistor
unipolar, utiliza electrones o agujeros para la conduccin. Las
cuatro terminales del FET se denominan fuente, puerta, desage, y el
cuerpo. En la mayora de FET, el cuerpo est conectado a la fuente en
el interior del paquete, y esto ser asumido por la siguiente
descripcin.
En un FET, el drenaje a la fuente de corriente fluye a travs de
un canal de conduccin que conecta la regin de origen de la regin de
drenaje. La conductividad es variada por el campo elctrico que se
produce cuando se aplica una tensin entre la puerta y terminales de
la fuente, por lo que la corriente que fluye entre el drenaje y la
fuente es controlada por el voltaje aplicado entre la puerta y la
fuente. A medida que aumenta el voltaje de puerta-fuente, aumenta
la corriente de drenaje-fuente forma exponencial para Vgs por
debajo del umbral, y luego a una velocidad ms o menos cuadrtica en
la regin "de carga espacial limitada" por encima del umbral. Un
comportamiento cuadrtica no se observa en los dispositivos
modernos, por ejemplo, en el nodo de la tecnologa de 65 nm.
De bajo ruido en el ancho de banda estrecho mayor resistencia de
entrada del FET es ventajoso.
FET se dividen en dos familias: la compuerta de cruce FET y
aislada FET. El IGFET se conoce ms comnmente como un
metal-xido-semiconductor FET, que refleja su construccin original a
partir de capas de metal, xido, y de semiconductores. A diferencia
de IGFETs, la puerta JFET forma un diodo pn con el canal que se
encuentra entre la fuente y el drenaje. Funcionalmente, esto hace
que el JFET de canal N el equivalente de estado slido de la triodo
tubo de vaco que, de manera similar, se forma un diodo entre la
rejilla y el ctodo. Adems, ambos dispositivos de operar en el modo
de agotamiento, que ambos tienen una alta impedancia de entrada, y
ambos conducen la corriente bajo el control de una tensin de
entrada.
FET metal-semiconductor son JFET en el que la inversa sesgada
unin pn est reemplazado por una unin de metal-semiconductor. Estos,
y los HEMT, en el que un gas de electrones bidimensional con
movilidad muy alta portador se utiliza para el transporte de carga,
son especialmente adecuados para su uso a frecuencias muy
altas.
A diferencia de los transistores bipolares, FET no amplifican
intrnsecamente una fotocorriente. Sin embargo, hay maneras de
utilizarlos, especialmente JFET, como los dispositivos sensibles a
la luz, por la explotacin de los fotocorrientes en canal-puerta o
canal de cuerpo uniones.
FET se dividen adems en modo de agotamiento-y tipos en modo de
enriquecimiento, dependiendo de si el canal se enciende o se apaga
con la puerta a cero voltaje de la fuente. Para el modo de mejora,
el canal est apagado en polarizacin cero, y un potencial de puerta
puede "mejorar" la conduccin. Para el modo de agotamiento, el canal
est en al sesgo de cero, y un potencial de puerta puede "agotar" el
canal, la reduccin de la conduccin. Para cualquiera de los modos,
una tensin de puerta ms positivo corresponde a una corriente ms
alta para los dispositivos de canal N y una corriente ms baja para
los dispositivos de canal P. Casi todos los JFETs son en modo de
empobrecimiento como las uniones de diodo se transmitan prejuicios
y conductas si fueran dispositivos en modo mejorado, la mayora de
IGFETs son tipos de modo de accesorio.
Uso de bipolar y transistores de efecto de campo
El transistor de unin bipolar fue el transistor ms utilizado en
la dcada de 1960 y 70. Incluso despus de MOSFETs se hizo
ampliamente disponible, el BJT se mantuvo el transistor de eleccin
para muchos circuitos analgicos tales como amplificadores debido a
su mayor linealidad y facilidad de fabricacin. En circuitos
integrados, las propiedades deseables de los MOSFETs les permiten
retener casi todos cuota de mercado para los circuitos digitales.
MOSFET discretos se pueden aplicar en aplicaciones de transistor,
incluyendo circuitos analgicos, reguladores de voltaje,
amplificadores, transmisores de potencia y los conductores de
motor.
Otros tipos de transistores
Para transistores bipolares primeros, ver Transistor de unin
bipolar # transistores bipolares.
Transistor de unin bipolar
Transistor bipolar de heterounin, hasta varios cientos de GHz,
comunes en ultrarrpidos moderno y circuitos de RF
Schottky transistor
Transistor Avalancha
Transistores Darlington son dos BJT conectados entre s para
proporcionar una alta ganancia de corriente igual al producto de
las ganancias de corriente de los dos transistores.
Transistores bipolares de puerta aislada utilizan un IGFET media
potencia, de manera similar conectado a un BJT de potencia, para
dar una alta impedancia de entrada. Diodos de potencia a menudo
estn conectados entre ciertos terminales dependiendo del uso
especfico. IGBT son especialmente adecuados para aplicaciones
industriales pesadas. El Asea Brown Boveri 5SNA2400E170100 ilustra
hasta qu punto la tecnologa de semiconductores de potencia ha
avanzado. Destinado a las fuentes de alimentacin de corriente
trifsica, este dispositivo de tres casas IGBT NPN en un caso de la
medicin de 38 por 140 por 190 mm y un peso de 1,5 kg. Cada IGBT
tiene una potencia de 1.700 voltios y puede manejar 2.400
amperios.
Transistor de fotos
Transistor de emisor mltiple, que se utiliza en la lgica
transistor-transistor
Transistor Multiple-base, que se utiliza para amplificar las
seales de muy baja actividad en ambientes ruidosos, como la
recogida de un tocadiscos o interfaces de radio. Efectivamente, se
trata de un gran nmero de transistores en paralelo, donde, a la
salida, se aade la seal de forma constructiva, pero el ruido
aleatorio slo se aade estocstica.
Efecto de campo transistor
Nanotubos de carbono de efecto de campo transistor
JFET, donde la puerta est aislada por una unin pn de polarizacin
inversa
MESFET, similar a JFET con una unin Schottky en lugar de una
unin pn
Transistor de alta movilidad de electrones
MOSFET, donde la puerta est aislada por una capa superficial de
aislador
Campo de T invertida transistor de efecto
FinFET, fuente/drenador regin formas aletas en la superficie de
silicio.
FREDFET, epitaxial del diodo de efecto de campo transistor
retroceso rpido
Transistor de pelcula delgada, en las pantallas LCD.
OFET Orgnica transistor de efecto de campo, en la que el
semiconductor es un compuesto orgnico
Transistor balstico
Floating-puerta del transistor, para el almacenamiento no
voltil.
FET utilizan para detectar entorno
Campo sensibles a iones transistor de efecto, para medir las
concentraciones de iones en solucin.
EOSFET, electrolito-xido-semiconductor transistor de efecto de
campo
DNAFET, cido desoxirribonucleico de efecto de campo
transistor
Transistor difusin, formada por dopantes difusin en sustrato
semiconductor, puede ser a la vez BJT y FET
Transistores de unin unipolar se pueden utilizar como simples
generadores de impulsos. Ellos comprenden un cuerpo principal de ya
sea de tipo P o semiconductor de tipo N con contactos hmicos en
cada extremo. Una unin con el tipo de semiconductor opuesto se
forma en un punto a lo largo de la longitud del cuerpo para el
tercer terminal.
Transistores de un solo electrn consisten en una isla puerta
entre dos uniones tnel. La corriente tnel es controlada por un
voltaje aplicado a la puerta a travs de un condensador.
Transistor nanofludicos, controla el movimiento de los iones a
travs de canales sub-microscpicas, llenas de agua.
MULTIGATE dispositivos
Transistor Tetrode
Transistor Pentodo
Trigate transistores
FET de doble puerta tienen un solo canal con dos puertas en
cascodo; una configuracin optimizada para los amplificadores de
alta frecuencia, mezcladores y osciladores.
Transistor nanocables Junctionless, desarrollado en el Instituto
Nacional Tyndall en Irlanda, fue el primer transistor fabricado con
xito sin uniones. Uniones son difciles y caros de fabricar, y,
debido a que son una importante fuente de corriente de fuga,
desperdician energa significativa y generan calor residual
significativa. La eliminacin de los mantuvieron la promesa de
microchips ms baratos y ms densa. El BUS utiliza una simple
nanocables de silicio rodeado por una "alianza" con separacin
galvnica, que acta a la puerta el flujo de electrones a travs del
cable. Este mtodo ha sido descrito como similar a apretar una
manguera de jardn a la puerta el flujo de agua a travs de la
manguera. El nanocable es fuertemente dopada n, por lo que es un
excelente conductor. Fundamentalmente la puerta, que comprende
silicio, es en gran medida p-dopado, y su presencia reduce el
nanocable de silicio subyacente evitando de este modo el flujo de
portador all de la puerta.
Vaco transistor de canal: En el 2012, se reportaron NASA y el
Centro Nacional NanoFab en Corea del Sur que han construido un
prototipo de vaco transistor de canal en slo 150 nanmetros de
tamao, pueden ser fabricados bajo precio con el procesamiento de
semiconductores de silicio estndar, puede funcionar a altas
velocidades incluso en ambientes hostiles y podra consumir tanto
poder como un transistor estndar.
Numeracin de las normas/especificaciones Parte
Los tipos de algunos transistores se pueden analizar desde el
nmero de pieza. Hay tres principales estndares de nomenclatura de
semiconductores, y en cada uno el prefijo alfanumrico ofrece pistas
sobre el tipo de dispositivo.
Japanese Industrial Standard
La especificacin JIS-C-7012 los nmeros de pieza transistor
comienza con "2S", por ejemplo, 2SD965, pero a veces el prefijo
"2S" no est marcada en el paquete - un 2SD965 slo podra estar
marcado "D965", un 2SC1815 podra estar listado por un proveedor
como simplemente "C1815". Esta serie tiene a veces sufijos para
denotar variantes, tales como endurecimiento de hFE
agrupaciones.
Componentes electrnicos Asociacin Europea de Fabricantes de
La norma Electron Pro, el componente de parte de fabricante
Electronic scheme Asociacin Europea de numeracin comienza con dos
cartas: la primera da el tipo de semiconductor, y la segunda letra
indica el uso previsto. Un nmero de secuencia de 3 dgitos sigue.
Con los dispositivos de primeros esta indicado el tipo de caso. Los
sufijos pueden ser utilizados, con una carta u otros cdigos puede
seguir para mostrar ganancia o tensin nominal. Los prefijos ms
comunes son:
Conjunto Electron Dispositivos Engineering Council
Los nmeros de dispositivo transistor EIA370 JEDEC por lo general
comienzan con "2N", lo que indica un dispositivo de tres
terminales, a continuacin, un nmero de 2, 3 o 4 dgitos secuencial
con ningn significado en cuanto a las propiedades del dispositivo.
Por ejemplo 2N3055 es un transistor de potencia de silicio NPN,
2N1301 es un transistor de germanio conmutacin PNP. Un sufijo de
letra se utiliza a veces para indicar una variante ms reciente,
pero rara vez ganar agrupaciones.
Propietario
Los fabricantes de dispositivos pueden tener su propio sistema
de numeracin de propiedad, por ejemplo CK722. Tenga en cuenta que
el prefijo de un fabricante actual es un indicador poco fiable de
la que hizo el equipo. Algunos esquemas de nomenclatura de
propiedad adoptan partes de otros sistemas de asignacin de nombres,
por ejemplo, un PN2222A es un 2N2222A en una caja de plstico.
Referencias militares a veces se asignan sus propios cdigos,
como el Sistema de nombres de CV Militar britnica.
Los fabricantes que compran grandes cantidades de piezas
similares pueden tener ellos suministran con "nmeros de la casa",
la identificacin de una especificacin de compra en particular y no
necesariamente de un dispositivo con un nmero de registro
estandarizado. Por ejemplo, una parte de HP 1854,0053 es un
transistor 2N2218 que tambin se le asigna el nmero CV: CV7763
Problemas de nomenclatura
Con tantos esquemas de nomenclatura independientes, y la
abreviatura de las referencias cuando se imprime en los
dispositivos, la ambigedad se produce a veces. Por ejemplo, dos
dispositivos diferentes pueden estar marcados "J176".
Como los transistores mayores "a travs del agujero" se dan de
montaje en superficie equivalentes envasados, tienden a asignar
muchos nmeros de parte diferentes porque los fabricantes tienen sus
propios sistemas para hacer frente a la variedad de arreglos
patillas y opciones para dispositivos PNP NPN duales o emparejado
en un paquete. As que incluso cuando el dispositivo original puede
haber sido asignado por una autoridad de normas, y bien conocido
por los ingenieros en los ltimos aos, las nuevas versiones estn
lejos de ser estandarizada en su nombramiento.
Construccin
Material semiconductor
Los primero BJT se hicieron a partir de germanio. Tipos de
silicio actualmente predominan casi seguro microondas avanzado y
versiones de alto rendimiento ahora emplean el compuesto material
semiconductor arseniuro de galio y la aleacin de semiconductores de
silicio germanio. Material semiconductor elemento individual es
descrita como elemental.
Rough parmetros para los materiales semiconductores ms comunes
utilizados para fabricar transistores se dan en la tabla a la
derecha; estos parmetros variarn con el aumento de la temperatura,
campo elctrico, nivel de impureza, cepa, y otros factores
diversos.
La unin hacia adelante tensin es la tensin aplicada a la unin
emisor-base de un BJT con el fin de hacer que la base conducir una
corriente especificada. La corriente aumenta exponencialmente a
medida que se aumenta la tensin directa de conexiones. Los valores
indicados en la tabla son tpicos de una corriente de 1 mA. Cuanto
menor sea la unin tensin directa, mejor, ya que esto significa que
se necesita menos energa para "impulsar" el transistor. La salida
de la tensin hacia adelante para un determinado corriente disminuye
con aumento de la temperatura. Para una unin de silicio tpico el
cambio es -2,1 mV/C. En algunos circuitos de elementos especiales
de compensacin deben ser utilizados para compensar tales
cambios.
La densidad de los portadores mviles en el canal de un MOSFET es
una funcin del campo elctrico que forma el canal y de varios otros
fenmenos tales como el nivel de impurezas en el canal. Algunas
impurezas, llamados agentes de dopado, se introducen
deliberadamente en la fabricacin de un MOSFET, para controlar el
comportamiento elctrico MOSFET.
La movilidad de los electrones y columnas de movilidad agujero
muestran la velocidad media que los electrones y los huecos se
difunden a travs del material semiconductor con un campo elctrico
de 1 voltio por metro aplicada a travs del material. En general,
cuanto mayor es la movilidad de los electrones ms rpido ser el
transistor puede operar. La tabla indica que Ge es un material
mejor que el de Si en este respecto. Sin embargo, Ge cuenta con
cuatro grandes deficiencias en comparacin con el silicio y
arseniuro de galio:
Su temperatura mxima se limita;
tiene relativamente alta corriente de fuga;
no puede soportar altas tensiones;
que es menos adecuado para la fabricacin de circuitos
integrados.
Debido a la movilidad de los electrones es ms alto que el
agujero de la movilidad para todos los materiales semiconductores,
un transistor NPN bipolar dada tiende a ser ms rpida que un
transistor de tipo PNP equivalente. GaAs tiene la ms alta movilidad
de los electrones de los tres semiconductores. Es por esta razn por
la que GaAs se utiliza en aplicaciones de alta frecuencia. Un
desarrollo relativamente reciente FET, el transistor de alta
movilidad de electrones, tiene una heteroestructura de
aluminio-arseniuro de galio, arseniuro de galio que tiene el doble
de la movilidad de los electrones de una unin de barrera de
GaAs-metal. Debido a su alta velocidad y bajo nivel de ruido, HEMTs
se utilizan en los receptores de satlite de trabajo en las
frecuencias alrededor de 12 GHz.
Max. valores de la temperatura de unin son una muestra
representativa tomada de las hojas de datos de varios fabricantes.
Esta temperatura no debe superarse o el transistor puede estar
daado.
Al-Si se refiere a la unin del diodo de barrera de
metal-semiconductor de alta velocidad, conocido comnmente como un
diodo Schottky. Esto se incluye en la tabla debido a que algunos
IGFETs potencia de silicio tienen un parsito Schottky diodo inverso
formado entre la fuente y el drenaje como parte del proceso de
fabricacin. Este diodo puede ser una molestia, pero a veces se
utiliza en el circuito.
Embalaje
Transistores discretos son transistores empaquetados
individualmente. Transistores vienen en muchos paquetes de
semiconductores diferentes. Las dos categoras principales son a
travs de hoyos y de montaje en superficie, tambin conocido como
dispositivo de montaje superficial. La matriz de esferas es el
ltimo paquete de montaje en superficie. Cuenta con "bolas" de
soldadura en la parte inferior en lugar de cables. Debido a que son
ms pequeos y tienen interconexiones ms cortas, DME tienen mejores
caractersticas de alta frecuencia pero menor potencia nominal.
Paquetes de transistores estn hechos de vidrio, metal, cermica o
plstico. El paquete a menudo dicta la potencia y las caractersticas
de frecuencia. Transistores de potencia tienen paquetes ms grandes
que se pueden fijar para calentar sumideros para una mejor
refrigeracin. Adems, la mayora de los transistores de potencia
tienen el colector o drenaje conectado fsicamente a la caja
metlica. En el otro extremo, algunos transistores de microondas de
montaje superficial son tan pequeos como granos de arena.
A menudo, un transistor de tipo dado est disponible en varios
paquetes. Transistor paquetes son principalmente estandarizada,
pero la asignacin de funciones de un transistor a los terminales no
es: otros tipos de transistores pueden asignar otras funciones a
los terminales del paquete. Incluso para el mismo tipo de
transistor de la asignacin de terminales puede variar.