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El invento de los supertransistores




Los supertransistores
La invención del transistor supuso una gran revolución en la electrónica. En el artículo Así funciona el supertransistor, el autor, B. Jayant Baliga, expone cómo el transistor bipolar de puerta aislada está transformando la electrónica de potencia. Se reproduce aquí la introducción de este artículo, publicado en agosto de 1998.
Fragmento de Así funciona el supertransistor.
De B. Jayant Baliga.
Aunque raras veces se reconozca, la invención del transistor en los laboratorios de Bell Telephone en los años cincuenta provocó una doble revolución en la electrónica. Una, la más popular, se manifiesta en la progresiva miniaturización. Su impulso fundamental vino al final de esa década, cuando Rohert N. Noyce y Jack Kilby por separado crearon el circuito integrado, que incorporaba múltiples transistores en una sola pastilla constituida por capas de material semiconductor. Transcurridos los años, se integrarían en finas láminas de silicio, no mayores que una uña, millones de transistores, cada uno de los cuales mide sólo algunos micrometros y consume del orden de una millonésima de watt por operación.
La otra revolución, menos conocida, se caracteriza por la tendencia opuesta: transistores de magnitud creciente, capaces de manejar mayores potencias eléctricas. En el oscuro mundo de los semiconductores gigantes la innovación fundamental llegó hace sólo unos años, y ahora es cuando comienza a imponerse.
El desarrollo clave de la electrónica de potencia fue la invención de un nuevo tipo de transistor, llamado IGBT (siglas en inglés de transistor bipolar de puerta aislada). Se trata de dispositivos semiconductores del tamaño de un sello de correos, capaces de agruparse para conmutar corrientes eléctricas de hasta 1000 ampère a tensiones de varios miles de volt. Y es de máxima importancia que los IGBT puedan conmutar esas corrientes a velocidades extremadamente rápidas, por lo que aventajan a sus predecesores en todos los terrenos.
Los IGBT se utilizan ya como conmutadores que controlan potencia en muy diversos tipos de aparatos, componentes y sistemas. En muchos casos, se interconectan IGBT para controlar la potencia aplicada a motores eléctricos.
El control de los motores eléctricos reviste enorme importancia. Es sabido que las fábricas dependen en gran medida de máquinas, equipos o robots accionados por motores. Puede estimarse que una familia media de un país desarrollado utiliza más de 40 motores eléctricos, contando todo tipo de máquinas del hogar, herramientas eléctricas, acondicionadores de aire y utensilios de aseo. Los motores de trenes y tranvías eléctricos necesitan también controles, y como ejemplo los motores de los últimos trenes de alta velocidad llevan hoy control por IGBT. Los coches eléctricos construidos en estos últimos años dependen también en alto grado de los IGBT.
Para variar la velocidad y la potencia de la mayoría de los motores de corriente alterna modernos, sean de una batidora o de un tren AVE, se altera la frecuencia y la amplitud de la onda senoidal aplicada a los arrollamientos del motor. Con este tipo de sistema de control, denominado mando de velocidad ajustable, el rotor del motor gira a la misma frecuencia de la onda senoidal. Esta onda puede crearse mediante grupos de IGBT que emiten impulsos de duración y amplitud controladas con precisión. Como los IGBT pasan con suma rapidez de conducción (on) a no conducción (off), se puede obtener una onda senoidal suavizada, lo que a su vez evita que el motor genere excesivos armónicos (ondas parásitas cuya frecuencia es múltiplo de la frecuencia básica). Los armónicos crean calor, desperdician energía y perjudican al motor u otros equipos del circuito.
Antes de los IGBT, los motores utilizados en calefacción, ventilación y acondicionamiento de aire (HVAC, de las siglas en inglés) solían funcionar a velocidad constante. Se limitaban a arrancar y parar a diferentes intervalos para acomodarse a los cambios de la temperatura ambiente. El rendimiento con cargas descompensadas era bajo. Los controles de velocidad ajustable basados en IGBT ofrecen un rendimiento muy superior, que se traduce en un ahorro estimado de millones de barriles de petróleo al día, reduciendo así también la contaminación. Estos eficaces controles de HVAC han sido ya adoptados en el Japón y son cada vez más apreciados en Europa y los Estados Unidos.
Otra ventaja de los IGBT deriva de su velocidad de conmutación: son tan rápidos, que la frecuencia de los impulsos que generan supera con facilidad el margen de la audición humana. Por eso se utilizan para conseguir compresores silenciosos de acondicionadores o refrigeradores. El zumbido que suelen emitir los compresores lo producen dispositivos de electrónica de potencia no tan rápidos, que sólo pueden activarse y desactivarse a frecuencias comprendidas en la gama audible.
Por supuesto, los IGBT sirven para mucho más que para controlar motores. Ciertas firmas los están utilizando para activar y desactivar los píxeles (elementos de imagen) en las pantallas de sus ordenadores portátiles más modernos. Se incorporan asimismo en las centrales de conmutación telefónica para encaminar las señales mediante la conexión de distintos circuitos, y también para activar el circuito emisor de la corriente de llamada que hace sonar el teléfono. Incluso hay una compañía que emplea los IGBT para fabricar un desfibrilador avanzado, aparato que emite una descarga eléctrica capaz de reanimar a la víctima de un paro cardíaco. También contienen IGBT las reactancias de las lámparas fluorescentes y de arco con el fin de regular la potencia que generan estos tubos cuando descargan a través de la resistencia eléctrica del gas y emiten radiación electromagnética.
Contando con todo, los dispositivos de electrónica de potencia, incluidos los IGBT, controlan del 50 al 60 por ciento de toda la potencia eléctrica generada en los países industriales. Porcentaje que además crece, debido en gran parte al éxito de los IGBT.
El pujante dominio de estos dispositivos en los principales equipos de la electrónica de potencia señala la conjunción de las dos revoluciones electrónicas que se iniciaron hace medio siglo. Con una corriente eléctrica de unas milésimas de ampère los IGBT pueden controlar corrientes, por ejemplo, de 100 ampère a 1500 volt. Y, gracias a esta capacidad de ser controlados por corrientes ínfimas, los IGBT comparten la misma pastilla con los circuitos que permiten su control por microprocesadores. Buscando analogías fisiológicas, el microprocesador y sus pastillas de memoria asociadas se comportan como el cerebro, y los IGBT como los músculos.
Fuente: Jayant Baliga, B. Así funciona el supertransistor. Investigación y Ciencia. Barcelona: Prensa Científica, agosto, 1998.


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