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EELL TTRRAANNSSIISSTTOORR
77
Electrónica Analógica
UD7..- El Transistor
1
ÍNDICE
OBJETIVOS ................................................................................................. 3
INTRODUCCIÓN .......................................................................................... 4
6.1. El transistor ............................................................................................ 5
6.1.1. El interior de un transistor ................................................................. 5 6.1.2. Polarización de un transistor ............................................................. 7
6.1.2.1. Polarización directa de la unión emisor de un transistor NPN ...... 7 6.1.2.2. Polarización directa de la unión emisor de un transistor PNP ....... 8 6.1.2.3. Polarización inversa de la unión colector de un transistor NPN .... 9 6.1.2.4. Polarización inversa de la unión colector de un transistor PNP .... 9
6.1.3. Efecto transistor y ganancia de corriente ........................................ 11 6.1.4. Curvas características de un transistor en emisor común .............. 16 6.1.5. Recta de carga de un transistor ...................................................... 18 6.1.6. Punto de reposo de un transistor .................................................... 20 6.1.7. Zonas de funcionamiento de un transistor ...................................... 21 6.1.8. Presentación del transistor .............................................................. 24 6.1.9. Varios circuitos de polarización ....................................................... 28
6.2. El transistor en conmutación .............................................................. 36
6.2.1. Zonas de trabajo del transistor en conmutación ............................. 36 6.2.2. Polarización del transistor en conmutación para NPN y PNP ......... 38 6.2.3. Montaje en Darlington ..................................................................... 40
6.3. Montajes con transistores ................................................................... 42
6.3.1. Relé en colector .............................................................................. 42 6.3.2. Montaje en Darlington ..................................................................... 44 6.3.3. Mando relé con dos transistores NPN............................................. 47 6.3.4. Circuito con doble mando ............................................................... 49 6.3.5. Temporización al cierre de un relé .................................................. 51
RESUMEN .................................................................................................. 53
Electrónica Analógica
UD7. El Transistor
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OBJETIVOS
Comprobar el funcionamiento del transistor.
Experimentar el comportamiento práctico de los transistores cuando están formando parte de circuitos de aplicación.
Estudiar los efectos que diodos y transistores tienen sobre las señales electrónicas, base fundamental para entender cómo se puede aplicar a la realización de montajes prácticos.
UD7.- El transistor 4
INTRODUCCIÓN
La electrónica es una ciencia de aplicación que a primera vista, sea por los comentarios que venimos oyendo desde hace muchos años, sea por la escasa formación, tiene fama de cosa complicada e intocable.
La verdad es que no es lo mismo entender el funcionamiento de un motor o aplicación mecánica, donde las piezas y efectos se "ven" y se "palpan" físicamente, o una instalación hidráulica, donde el fluido se aprecia discurriendo por los conductos, que una tarjeta electrónica llena de circuitos integrados de aspecto negro siniestro (parecidos a los de Lord Vader) y acompañados por su corte de resistencias, condensadores, transistores y otros componentes de menor "rango".
El secreto de la electrónica es el conocimiento de estos componentes, y como conocimiento queremos decir el estudiar y saber qué hacen en realidad con las señales electrónicas, cuál es su efecto sobre ellas y qué va a ser lo que obtengamos a la salida. Así, un transistor en amplificación consigue entregarnos una señal que es n veces más grande que la de su entrada, o un diodo recorta los semiciclos negativos de una señal alterna colocada en su entrada. Mezclando, intercalando y combinando estos componentes podemos llegar a producir efectos de temporización, control, cálculo, automatización, que conseguimos con las tarjetas electrónicas. Ya puede ver que el león no es tan fiero como lo pintan.
Por otra parte se ha comprobado en la práctica que los transistores son el componente estrella de la electrónica por sus características y aplicaciones, algo parecido a la popular aspirina, que sirve para todo. Además, es muy fácil agruparlos de forma compacta en grupos llamados circuitos integrados, las renombradas "cucarachas" o "chips", asignándoles también a cada uno una función, más complicada, claro.
Por consiguiente, se puede comprobar que nadie sabe la suficiente electrónica como para desentrañar el funcionamiento de una tarjeta electrónica, ni siquiera para reparar una avería. Lo que es más importante es disponer de una buena base y una buena cantidad de catálogos de casas comerciales, que son las que ponen en el comercio esas piezas que realizan una tarea determinada. No queda más que identificar el integrado o componente mediante las marcas que tiene, y decir "bien, este integrado es un 723 de la marca National Semiconductor, y realiza tal y tal cosa". En estas condiciones sí que se puede comprobar el funcionamiento de un circuito, chequearlo para comprobar una avería y lo que es más importante, diseñar nuestras propias aplicaciones con esos conocimientos.
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1.1. EL TRANSISTOR
Abordamos en este punto el componente estrella de la electrónica moderna, el transistor. Existen diversos tipos de transistores. El que vamos a ver a continuación y con más extensión se denomina transistor bipolar. Las otras familias (MOS, FET, etc.) se tratarán en otros capítulos. Estos dispositivos electrónicos culminan los componentes activos por sus características y aplicaciones.
Todos los montajes, funciones y circuitos electrónicos de cierta envergadura disponen de estos elementos ya sea de forma individual o por grupos funcionales, generalmente dentro de un chip o integrado. Así pues, el circuito integrado no es un nuevo componente, sino conjuntos de transistores unidos de forma especial para realizar un cometido. El aumento de la complicidad de los circuitos ha llevado a este desarrollo y al uso de los circuitos integrados. Pasemos pues a estudiar el transistor.
1.1.1. EL INTERIOR DE UN TRANSISTOR
El transistor es un componente que basa su funcionamiento, al igual que el diodo, en los cristales semiconductores P y N, aunque para ser más exactos, emplea tres y no dos. Según las combinaciones que podemos conseguir tenemos dos configuraciones básicas: PNP y NPN, según cómo coloquemos los cristales.
N NP
1ª unión
2ª unión
P PN
Figura 6.1. Cristales PNP y NPN
Cada una de las zonas determinadas por los tres cristales se denomina de una forma, la cual obtendrá su razón de ser cuando estudiemos la polarización de este invento. Éstas son el emisor, colector y base, donde la base es la encargada de ejercer el gobierno sobre las demás.
UD7.- El transistor 6
Sería algo parecido a un sistema de riego, donde el caudal de una acequia principal pudiera ser controlado con el de otra más pequeña y además más fácil de manejar por su reducido valor (en cantidad de agua).
DEPÓSITO DECOLECTOR
DEPÓSITODE BASE
Acequia principal
COLECTOR
BASE
EMISOR
Acequia secundaria
REGULACIÓN
Lámpara
Alternador
CARGA
Figura 6.2. Símil hidráulico de un transistor
Como puede ver (el que tenga experiencia como hortelano tendrá ventaja), el caudal de la acequia principal puede ser regulado con el de la secundaria, aumentando la cantidad de agua que pasa por el emisor. El transistor todavía va más lejos que el símil y con la corriente de base es capaz incluso de "llamar" o "atraer" más corriente de colector.
Salta a la vista que el caudal que circula por el emisor es la suma de los caudales del colector y la base. Esta propiedad es muy importante y refleja todo el funcionamiento del transistor.
Un transistor está formado por tres cristales semiconductores unidos, dando lugar a arquitecturas PNP y NPN.
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1.1.2. POLARIZACIÓN DE UN TRANSISTOR
Vamos a ver cómo un transistor es capaz de realizar lo anteriormente expuesto con la corriente. La colocación de los cristales, como ya sabemos, origina la aparición de tres zonas, y el secreto, como siempre, consiste en la polarización adecuada de estas zonas, que es la siguiente:
N NP
e c
b
NP
e c
b
P
Figura 6.3. Polarización adecuada de transistores.
Ya ve que la unión emisor-base debe estar directamente polarizada, y la unión colector - base inversamente. Veremos a continuación esto con más detalle.
1.1.2.1. POLARIZACIÓN DIRECTA DE LA UNIÓN EMISOR DE UN
TRANSISTOR NPN
La figura siguiente muestra una polarización directa de la unión emisor-base de un transistor NPN, mediante una batería de potencial Vee. El polo positivo se conecta con la base y el negativo con el emisor, consiguiendo el mismo efecto que si de un diodo se tratara.
-
--
-
--
--
--
-
- -
-
Barrera de potencial
colectoremisor
baseIe
IbVee
N NP
Figura 6.4. Polarización directa de la unión emisor-base de un transistor NPN
UD7.- El transistor 8
El negativo de la pila inyecta electrones en el emisor, con lo que los electrones de la primera fila (próximos a la barrera de potencial) adquieren la suficiente energía como para atravesarla y cubrir huecos en la base. Este efecto produce un aumento de electrones en la base, que son atraídos por el positivo de la pila.
Ya sabe que el potencial Vee de la pila debe ser superior a 0,7 V (potencial adquirido por la unión PN directamente polarizada). En caso contrario, la barrera es insalvable y no se produce tránsito de portadores.
Se crea pues una corriente de portadores real del emisor a la base (Ie =Ib), expresándose la misma idea si decimos que se produce una circulación de corriente base a emisor en su sentido convencional.
1.1.2.2. POLARIZACIÓN DIRECTA DE LA UNIÓN EMISOR DE UN
TRANSISTOR PNP
En este caso debemos montar el circuito de la figura siguiente. El polo positivo se encuentra conectado al emisor y el negativo a la base. En este caso el movimiento de electrones se produce de base a emisor. (Convencionalmente de emisor a base).
-
--
-
-
--
--
-
- -
-
Barrera de potencial
colectoremisor
baseIb
Vee = 0,7V
P PN
-
-
-
-
Ie
Figura 6.5. Polarización directa de la unión emisor-base de un transistor PNP
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1.1.2.3. POLARIZACIÓN INVERSA DE LA UNIÓN COLECTOR DE
UN TRANSISTOR NPN
Esta polarización conecta el polo negativo de la pila a la base (tipo P) del transistor, y el positivo al colector (tipo N). Puede verse el montaje en la figura siguiente.
emisor colector
Vcc
base
Ifugas
La barrera de potencial aumenta.Diferencia de potencial = Vcc
N NP
- - -
Figura 6.6. Polarización inversa de la unión emisor-base de un transistor NPN
En estas condiciones y como ya sabemos, los electrones del colector son atraídos por el polo positivo de la fuente Vcc, mientras que el polo negativo inyecta electrones en la base. Por esto la barrera de potencial de la unión aumenta hasta que su valor se hace igual a la tensión de la pila, impidiendo cualquier circulación de corriente a su través, excepto la corriente inversa de saturación (corriente de fuga).
1.1.2.4. POLARIZACIÓN INVERSA DE LA UNIÓN COLECTOR DE
UN TRANSISTOR PNP
En este caso debe cambiar el polo positivo de la pila a la base y el negativo al colector, por lo que este último inyecta electrones en el colector (P) y el polo positivo atrae electrones a la base (N). Únicamente tenemos la corriente inversa de saturación.
UD7.- El transistor 10
colectoremisor
Vcc
Ifugas
Aumento de la barrera de potencial
- - -
base
PP N
Figura 6.7. Polarización inversa de la unión colector de un transistor PNP
6.1.2. POLARIZACIÓN EN EMISOR COMÚN
Por fin parece llegar el final del calvario al que estamos sometiendo a los cristales P y N desde hace varios puntos, la polarización de un montaje NPN o PNP con dos polarizaciones, una inversa y otra directa, ofreciéndonos un efecto muy peculiar y maravilloso: el efecto transistor.
Así pues, tomamos un cristal de tipo NPN, le conectamos una polarización directa emisor-base y otra colector-base, tal como aparece en la siguiente figura:
Barrera de potencial
emisor colector
base
Vee 0,7V Vcc
Ie Ib Ic
N NP
-
-
- -
-
-
-
-
- -
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
Figura 6.8. Efecto de la doble polarización
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La polarización directa de la unión emisor implica una circulación de electrones de emisor a base. La polarización inversa de colector supone un desplazamiento muy pequeño de electrones de base a colector.
Como puede verse en la figura anterior, los electrones que proceden del emisor vienen con mucha velocidad gracias a estar la unión directamente polarizada. Es la llamada corriente de emisor. Esta virulencia de llegada, unida al hecho de que la base tiene un espesor muy pequeño comparado con el emisor y colector, hace que algunos electrones sean atraídos por la base, formando la corriente de base. El resto, más numerosos, atraviesan la base y se introducen en el colector, formando la corriente de colector.
Todo lo dicho es válido para los transistores PNP, sólo que cambiará la forma de polarización.
Este proceso de conducción se denomina efecto transistor y culmina las prestaciones electrónicas de los materiales semiconductores al ofrecernos el componente que basa su funcionamiento en este efecto: el transistor.
1.1.3. EFECTO TRANSISTOR Y GANANCIA DE CORRIENTE
Volviendo a la figura anterior, el polo negativo de la pila Vee introduce electrones en el emisor. La base se hace cargo de ellos para rellenar los huecos que tiene. Sin embargo, estos electrones disponen de una energía tan elevada (velocidad) que muchos de ellos pasan de largo hacia el colector atraídos además por la pila Vcc.
Para que este efecto se produzca con resultados palpables, artificialmente podemos incentivarlo haciendo que la base sea estrecha y esté poco dopada (facilidades para los electrones que circulan hacia el colector). También podemos hacer que el colector sea más grande y esté más impurificado, atrayendo y facilitando que los electrones vayan a él, algo parecido a lo de Jesucristo y los niños. Por otra parte, y ésta es una cuestión muy interesante para los circuitos con transistor, la Vcc debe ser bastante mayor que Vee. Resumiendo, cuantos más electrones atraviesen la base, mayor será la corriente de colector. Estamos llegando a la aplicación eléctrica del dibujo de las acequias. Una corriente de base es capaz de comandar a otra, de colector. Y lo que es más, la hace aumentar o disminuir a voluntad.
UD7.- El transistor 12
Se suele decir de una forma más técnica, comparando con una resistencia variable, que el transistor es un dispositivo electrónico que varía su resistencia de la unión emisor a la unión de colector, de ahí recibe su nombre, transistor (Transfer Resistor).
N
N
P
c
Ic
b
Ib
eIe
TRANSISTOR
R
c
b
e
Ic
Ib
Ie
TRANSISTOR
Figura 6.9. Representación de la transferencia de resistencia
Ib Intensidad de base
Ic Intensidad de colector
Ie Intensidad de emisor
R f (Ib)
Ib R Ic
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El símbolo eléctrico de un transistor es el que aparece en la siguiente figura, dándonos bastantes pistas para entender su funcionamiento.
b
TRANSISTO R NPN
Ib Ib
bc
Ic
e
Ie
e
Ie
c
Ic
TRANSISTO R PNP
Figura 6.10. Representación de un símbolo de transistor
Como observará, las flechas de corriente ya tienen el sentido convencional, queriendo decir que realmente los electrones circulan en sentido contrario con respecto a lo que hemos estudiado hasta aquí. No se preocupe por eso y no le dé vueltas, quédese con el esquema de la figura anterior aunque ya sabemos que los electrones circulan en otro sentido.
Seguimos adelante. Si consideramos la corriente de base, o mejor aún, el circuito de base como circuito de entrada y el de colector como de salida, podemos definir una serie de parámetros muy importantes. Por otra parte, cabe destacar que llevamos explicando todo el rato el funcionamiento del transistor sobre un tipo de polarización, llamada de emisor común. Existen otros tipos de polarizaciones que no vamos a ver, pues ésta es la más utilizada. Es la respuesta a la típica pregunta: ¿cómo podemos conectar un transistor para que funcione? La más práctica y usada es la de emisor común, aunque debe saber que hay otras. Los parámetros de que hablamos son los siguientes y son debidos a que una "pequeña" corriente de base comanda o controla a otra "más grande" de colector:
a) Una pequeña tensión directa en la entrada origina una elevada tensión de salida. A esto se le denominará ganancia de tensión.
b) Para una pequeña corriente de entrada, se obtiene una elevada corriente a la salida. Se trata de la ganancia de corriente.
UD7.- El transistor 14
CIRCUITO DE ENTRADAVe
CIRCUITO DE SALIDAEN EMISOR Ve
CIRCUITO DE SALIDAEN COLECTOR Vc
A
A
AVee
Vcc
Ib
Ie
Ic
V
V Vce
Vbe0,7V
Figura 6.11. Representación de los circuitos de entrada y salida de un transistor
Para que un transistor funcione correctamente, debe estar polarizado.
¿Vemos algo en la figura anterior que no hemos comentado? Claro que sí. Tenemos la tensión base-emisor (Vbe) sobre todo. Esta última corresponde al potencial que se genera en esa parte del transistor cuando circula a través de él una determinada corriente, de forma que depende más de los circuitos externos de colector y emisor que del propio transistor.
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Lo verdaderamente importante es lo que se denomina ganancia de corriente, producida gracias al efecto transistor. Ya sabemos que una determinada corriente introducida en la base de un transistor correctamente polarizada origina un valor de corriente por colector determinada y que es función de la corriente de base.
Pero, ¿cómo funciona?, ¿si sube una baja la otra?, ¿cuánto sube la de colector si sube la de base? Estas preguntas tienen respuesta si hablamos del parámetro más importante del transistor: la ganancia de corriente, también
llamada (beta) o hFE en algunos manuales. Este valor, característico de cada componente y particular de cada uno, es el que relaciona las corrientes, dando lugar a la ecuación fundamental que rige el efecto transistor en montajes como los estudiados:
Ic = · Ib
Donde Ic es la corriente de colector, Ib la de base y es el famoso parámetro
relacionativo. En los transistores más comunes, la oscila entre 50 y 150.
Seguramente podrá determinar la corriente de colector de un transistor de =
100 si circula una corriente de base de 0,5 mA: 50mA. También habrá adivinado que se cumple otra ecuación, tan importante o más:
Ie = Ib + Ic
Donde:
Ie Corriente de emisor
Ib Corriente de base
Ic Corriente de colector
Todos estos parámetros resumen el funcionamiento del transistor, y los fabricantes los resumen en unas curvas donde se advierten a primera vista los valores. A continuación vamos a estudiar alguno de ellos.
UD7.- El transistor 16
1.1.4. CURVAS CARACTERÍSTICAS DE UN TRANSISTOR EN
EMISOR COMÚN
Para estudiar el comportamiento de un transistor vamos a tomar el circuito de polarización más común y práctico, el de emisor. Debemos realizar el montaje de la figura siguiente, donde se encuentran reflejados y controlados todos los parámetros posibles.
Vbb
P1Rb
A
Vbe
Ie A2
b
e
c
Vce
VV1
V V2
AA1
Ib
AA3
Ic
RcP2 Vcc
Figura 6.12. Montaje para la obtención de las curvas características de un transistor.
Este circuito responde a una polarización completa y correcta con las tensiones continuas Vbb y Vcc, y las resistencias limitadoras de intensidad Rb y Rc.
Los potenciómetros P1 y P2 hacen posible variar los valores de corrientes a voluntad, y así comprobar el funcionamiento. Debido a la cantidad de parámetros que hay, se suele dejar fijo uno, variar otro y comprobar los efectos en un tercero. Con estas situaciones alcanzamos a ver todas las combinaciones de interés, que son cuatro y se colocan en cada uno de los cuadrantes de un sistema de representación cartesiano:
Isalida
Ventrada
Ientrada Vsalida
Ic = f(Ib) Vce = Cte. Ic = f(Vce) Ib = Cte.
Vbe = f(Vce) Ib = Cte.Vbe = f(Ib) Vce = Cte.
Cuadrante ICuadrante II
Cuadrante III Cuadrante IV
Figura 6.13. Situación de las curvas de respuesta
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Dicho esto y efectuando las recomendaciones de cada cuadrante, se obtienen las fórmulas de curvas de la figura siguiente:
Iceo
Ibn > Ib(n-1)............
Ib2 > Ib1
Ib1 = 0
Ib1Ib2 > Ib1Ib3 > Ib2Ib4 > Ib3Ib5 > Ib4
Vce(V)
Vbe (V)
Vce2 > Vce1
Vce1
Ib(A)
Vce3 > Vce2
Vce2 > Vce1
Vce1 Ic(mA)CUADRANTE II CUADRANTE I
CUADRANTE III CUADRANTE IV
Figura 6.14. Curvas de un transistor en emisor común
Expliquémoslas por cuadrantes de forma breve:
Cuadrante I
Expresa la variación de la corriente de colector (Ic) en función de la tensión colector-emisor (Vce) al mantener constante la corriente base. Como vemos, a grandes aumentos del valor de la Vce, le corresponden pequeñas variaciones de la Ic, para cada una de las corrientes de base indicadas. Comprobamos que afecta muy poco la tensión colector-emisor a la corriente de colector.
Cuadrante II
La genuina curva de corriente de colector en función de la de base a tensión colector-emisor constante. Aumentos de Ic corresponden a aumentos de Ib y viceversa.
Cuadrante III
Se trata de comprobar el valor de la tensión Vbe en función de Ib para Vce constante. Se trata de la polarización de un diodo de forma directa, de tal manera que este cuadrante carece de aplicación práctica.
UD7.- El transistor 18
Cuadrante IV
Estudiamos la tensión de base-emisor (Vbe) en función de la Vce, para Ib= constante.
En resumen, tenemos como curvas más importantes la del cuadrante I y II, que veremos más en profundidad a continuación.
1.1.5. RECTA DE CARGA DE UN TRANSISTOR
El circuito más común de montaje y polarización de un transistor es el siguiente.
Vbb
Rb
Ib
b
Vbe
Ic
e
c
Rc
VRc
VceVcc
Figura 6.15. Polarización de un transistor
Una vez puesto en funcionamiento, en todo momento debe cumplirse la ecuación siguiente, siguiendo la Ley de Ohm:
Vcc= VRc + Vce
Si VRc= Rc · Ic tenemos que:
Vcc = Rc · Ic + Vce
Así pues, como sabemos que la corriente de colector Ic depende de la de base y también Vcc es constante, cuando aumente la Ib, lo hará Ic y por consiguiente la tensión en Rc (VRc), en detrimento de la Vce, que disminuirá. En caso contrario, bajará Ib, Ic, y VRc, aumentando Vce.
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Si se tiene presente la curva del cuadrante I, pueden definirse unas zonas de funcionamiento en el transistor que forman la llamada recta de carga, la cual podemos ver en la figura siguiente y cuyos puntos marcados como P1, P2 y P3 indican tres puntos de trabajo, uno para corriente colector máxima (lo que permita Rc para Vce = 0 a máxima corriente de base Ib), otro para Ib = 0 y otro para Ib de valor intermedio.
Ib6>Ib5
Ib5>Ib4
Ib4>Ib3
Ib3>Ib2
Ib2>Ib1
Ib1>Ib0 Ib0
P3
P2
P1
Ic(mA)
Vce(V)
Icmax =Vcc
Rc
Vce = 0
Icmed =Rc
Vcc
2
Vcmed =Vcc
2
Iceo
Vcemax =VccIc = 0
Ib7>Ib6
Figura 6.16. Recta de carga de un transistor
Como hemos hecho anteriormente con los cuadrantes, estudiaremos qué ocurre en cada punto dichoso.
Punto P1
La corriente de base es cero, con lo que lógicamente la de colector también lo será. Sin corriente por colector, la tensión colector-emisor alcanza su valor máximo, es decir, Vcc, ya que:
Vcc = VRc · Ic + Vce Si Ic = 0; Vcc = Vce.
Se dice que en este punto el transistor está en corte.
UD7.- El transistor 20
Punto P2
La corriente de base alcanza un valor máximo, por lo que tenemos una corriente de colector bastante elevada. En este caso, al contrario del anterior, es la tensión en Rc la que se eleva hasta valores cercanos a Vcc, cumpliendo la ecuación:
Vcc= VRcIc + Vce
Si Ic es muy grande, VRcIc Vcc por lo que Vce 0
En estas condiciones el transistor alcanza un estado llamado de saturación.
Punto P3
La corriente de colector alcanza su valor medio entre el máximo y el mínimo, por lo que la tensión Vcc se reparte a partes iguales entre el colector y el emisor del transistor:
Vce = 2
Vcc = VRc
Ib = Ic
1.1.6. PUNTO DE REPOSO DE UN TRANSISTOR
Se llama punto de reposo de un transistor o punto de trabajo a aquél de la recta de carga en el que se encuentra el transistor para unos determinados valores de Vce e Ic, determinados por los elementos del circuito de polarización.
Generalmente se encontrará con montajes y problemas donde le pidan realizar o hallar el punto de reposo de un transistor. Lo único que deberá hacer (sin buscar el sitio donde duerme el transistor, claro) es calcular la corriente de colector y la tensión de colector-emisor.
Al punto de reposo viene unido el concepto de potencia disipada por el transistor. Si bien sabemos que en una resistencia es el producto de la tensión en sus bornes por la corriente que la recorre, ¿cuál será el cálculo en el caso de un transistor? ¿Qué corrientes podemos emplear?
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Pues dado que la corriente de emisor es aproximadamente igual a la de colector, se puede despreciar la de base y calcular la potencia como el producto de la tensión colector emisor por la corriente de colector:
W = Vce · Ic
Donde:
W Potencia en Vatios
Vce Tensión colector-emisor en voltios
Ic Corriente de colector en amperios
No se asuste por el hecho de haber despreciado la corriente de base. Se encontrará muchas aplicaciones donde lo hacen y usted mismo, en la práctica, podrá hacerlo.
Si se fija en la ecuación:
Ie = Ic + Ib
Estamos sumando valores que son 100 ó 150 veces más pequeños (Ib = Ic
),
pudiendo despreciar el más pequeño:
Ie = Ic
No lo tome como un mandamiento divino. Puede seguir realizando los cálculos como siempre y cuando tenga la suficiente experiencia, desprecie Ib.
1.1.7. ZONAS DE FUNCIONAMIENTO DE UN TRANSISTOR
Esta pregunta puede considerarse como un resumen al tema del transistor. Vamos a describir las zonas en las que el transistor puede ofrecernos sus favores de una manera u otra, con características y valores distintos.
UD7.- El transistor 22
Si recuerda lo anteriormente descrito y mira la figura siguiente se pueden observar tres zonas de funcionamiento:
Zona de saturación
Zona de corte o bloqueo
Zona de trabajo o activa
Linea de saturación
Zona activa
Zona de bloqueo
Vcc
Rc
Vcc
Iceo Vce(V)
Ic(mA)
Zona desaturación
Figura 6.17. Zonas de funcionamiento de un transistor
Zona de saturación
En esta región las tensiones de colector-emisor son muy pequeñas, prácticamente cero. Sin embargo, las corrientes de base y colector son las máximas permitidas para el correcto funcionamiento.
En estas condiciones tenemos el transistor comportándose como un circuito o interruptor cerrado.
+Vcc
emisor
Ic
Ie
base
colector
Ib
Vce 0
Ic = máxima.Ib = máxima.
Figura 6.18. Símil de un transistor en saturación
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Zona de bloqueo o corte
La zona correspondiente a este estado implica que el transistor trabaja por
debajo de la curva de Vcc para Ib 0. En estas condiciones, sin intensidad de
base, la tensión de colector alcanza su valor máximo, es decir, el de Vcc, comportándose como un interruptor abierto.
+Vcc
base
Ib = 0
Vce Vcc
Ic 0
Ie 0
Figura 6.19. Símil de un transistor en corte
Zona activa
La zona activa es la más grande de las tres, y en ella coloca el transistor su punto de reposo para cualquier combinación de corriente de colector y tensión de colector-emisor.
Los dos estados extremos de funcionamiento de un transistor son el de corte y saturación.
Como hemos estudiado, en esta zona se cumple la relación de tensiones (reparto de Vcc) entre la resistencia de colector y el colector-emisor del transistor. En esta zona el transistor se encuentra trabajando en modo amplificación, mientras que cuando se encuentra en corte-saturación, se dice que trabaja en conmutación.
UD7.- El transistor 24
1.1.8. PRESENTACIÓN DEL TRANSISTOR
Hemos visto las maravillas que nos ofrece el transistor al aplicarle una polarización adecuada, cómo funciona en corte y saturación, cómo podemos controlar una corriente grande con una pequeña, etc. Pero nada de esto tiene valor si no convertimos el cristal semiconductor, NPN o PNP, en un componente electrónico. Debido a la extrema pequeñez de los cristales, es necesario recubrirlos de una protección, llamada cápsula, y, sobre todo, conectarles una serie de conductores, llamados pines o patillas, para comunicarlos con los demás componentes electrónicos y formar los circuitos. La siguiente figura le sacará de dudas.
SÍMBOLO DELTRANSISTOR NPN
c
b
e NP
N
PARTE METÁLICA
CRISTALSEMICONDUCTOR
PATILLAS O "PINES"
CÁPSULA PLÁSTICA
cb
e
AGUJERO PARAATORNILLAR ELRADIADOR
Figura 6.20. Representación del transistor
Salta a la vista la importancia de saber qué pin corresponde a cada terminal del cristal, es decir, colector, base o emisor. Los catálogos de componentes, como veremos, tratan el tema muy en serio, lógicamente, por lo que cuando tomemos un transistor de cualquier tipo, lo primero que debemos hacer es identificar sus terminales y por supuesto, si es NPN o PNP. Ahora veremos esto con más precisión.
La forma de la cápsula es muy importante también a la hora de identificar el componente dentro de un circuito. Además, sobre ella está serigrafiado o escrito el tipo de transistor, a modo de matricula de coche o DNI, y en formato alfanumérico. Este código de letras y números determina con precisión qué tipo de transistor es. Por ejemplo, el BC 547 es un transistor de tipo NPN de baja potencia y ese código está escrito en la cápsula:
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BC547
ebc
e
bc
Figura 6.21. BC547. Cápsula y símbolo
Existe en el mercado multitud de cápsulas distintas en su forma y características. No se preocupe porque las que más se utilizan están perfectamente normalizadas y son pocas.
Sus características y naturaleza dependen sobre todo de la potencia que va a disipar el componente en funcionamiento. Así, por ejemplo, los transistores, utilizados en señales de bajo nivel suelen tener la cápsula de plástico, mientras que los de potencia son metálicos, para evacuar más fácilmente el calor generado en su interior por el paso de electricidad. Vamos a dar un repaso a los tipos de cápsulas más utilizadas actualmente.
Cápsula TO92
Se llama así a la de la siguiente figura. El transistor que más la utiliza es el BC547 en NPN.
Figura 6.22. Transistor BC547 en cápsula TO92
UD7.- El transistor 26
Cápsula TO18
Ésta es también muy utilizada por transistores de baja potencia, siendo metálica. Dispone de un saliente que determina la colocación de las patillas de una determinada manera para identificar el colector, base y emisor.
Cápsula TO18
Saliente
b 21 e
3 c
Figura 6.23. Transistor PNP 2N2218 en cápsula TO18
Un usuario común de la TO18 es el transistor PNP 2N2218 de baja señal. No se preocupe demasiado por las palabras en inglés. Las hemos colocado para que se vaya acostumbrando a ellas ya que la mayoría de los catálogos no se encuentran escritos en cristiano. Aparte de "inches" (pulgadas), "within" (entre), las demás creemos que puede entenderlas intuitivamente.
Cápsula T03
Es el tipo de cápsula más utilizada por los transistores de potencia. Es de tipo metálico y su forma difiere claramente de las demás anteriormente estudiadas, como aparece en la siguiente figura. Observe la forma de identificar la base y emisor con la nota (D>d). El colector es la propia cápsula metálica.
1.- Base.2.- Emisor.Cápsula = Colector.
12
cápsula
Cápsula TO3
Figura 6.24. Transistor NPN 2N3055 en cápsula TO3
Habrá observado que en este modelo sólo existen dos patillas o pines, correspondiendo a la base y al emisor. ¿Dónde tenemos el colector? Pues tratándose de transistores de cierta potencia, donde la corriente de colector puede ser de varios amperios, el terminal de colector se toma de la propia cápsula, conectándolo internamente.
Electrónica Analógica
UD7..- El Transistor
27
Por ello, cuando necesitamos disponer de él se suele colocar un conector exterior con un tornillo sujeto a los agujeros que al efecto aparecen en la cápsula T03. Estudie la siguiente figura y verá qué sencillo.
2N3055
Arometálico
Base
Soldadura
Cable
Tornillo
Tornillo
Cápsula
Tuerca
Ficha o arometálico
Cable
EmisorColector
Patillas
Figura 6.25. Conexión de un transistor de cápsula TO3
Si miramos en la tabla de la figura anterior observamos que el diámetro del agujero marcado como P es de 4 mm, por lo que quedan determinados los grosores de los tornillos, por ejemplo uno de métrica 3,5 sería ideal.
Cápsula TO126
Por último tenemos este tipo, menos utilizado que los anteriores. Por ejemplo, el SC4137 lo emplea y puede verse en al figura siguiente.
Figura 6.26. Cápsula TO126
Con la información planteada quedarán pocos transistores que no pueda identificar, por lo menos en lo que a cápsula se refiere. Si se fija encontrará por alguna parte una cifra que pronto le será familiar. Leerá 2N2894, 2N3055, BC547, 2N222, etc. Cada una de estas claves coincide con un tipo de transistor de unas determinadas características, las cuales se suelen mirar y comparar en los "handbooks" o manuales que los fabricantes distribuyen y facilitan en cualquier comercio de electrónica, o ellos mismos directamente.
UD7.- El transistor 28
Por ejemplo si usted consigue un catálogo del transistor 2N3055, verá en primer lugar la cápsula (T03) y el componente que contiene. Además, aparecen una serie de valores eléctricos máximos que soporta en condiciones extremas, y otros más de funcionamiento normal, pero eso sí, en perfecto inglés:
Símbolo Parámetros Valor Unidad
VCBO Voltaje Colector-Base (IE = 0) 100 V
VCER Voltaje Colector-Emisor (RBE = 100 ) 70 V
VCEO Voltaje Colector-Emisor (IE= 0) 60 V
VEBO Voltaje Emisor-Base (IC = 0) 7 V
IC Corriente de Colector 15 A
IB Corriente de Base 7 A
Ptot Potencia total a TC 25ºC 115 W
Tstg Temperatura de almacenaje 65 a 200 ºC
Tj Máxima temperatura de la operación de unión
200 ºC
Intuitivamente podemos adivinar qué significa cada cosa. Veremos que Ic, intensidad de colector es de 15A y la Ptot, potencia total para temperatura de
cápsula (Tc) 25°, es de 115 W, valores nada despreciables. Por algo
estamos hablando de un transistor de potencia. Las dos últimas líneas corresponden a las máximas temperaturas admitidas por la cápsula y la propia unión interna NPN para un óptimo funcionamiento.
Puede encontrarse otros valores que poco a poco irá conociendo. Con la experiencia adquirirá cada vez más información de los componentes electrónicos, base fundamental para crear sus propios diseños.
Los transistores suelen presentarse en varios tipos de cápsulas. Las más importantes son la TO92 y la TO3.
1.1.9. VARIOS CIRCUITOS DE POLARIZACIÓN
El funcionamiento correcto del transistor implica una colocación o conexión con respecto a los demás componentes del circuito, y más especialmente con
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UD7..- El Transistor
29
la alimentación. Recuerde la pregunta de la polarización de la unión y el efecto transistor, donde se explicaba que las corrientes de base, emisor y colector se generan si los polos de las baterías están colocados correctamente.
En los transistores NPN (por diferenciarlos de los PNP) la corriente siempre debe introducirse por el colector (hablamos de corrientes en sentido convencional) y sale por el emisor, por lo que el colector debe ser más positivo que el emisor. De igual manera, la corriente de base debe provenir de una fuente más positiva que el emisor. Para suavizar el problema, vamos a comentar a continuación la existencia de unos circuitos de polarización pensados para mantener el transistor en funcionamiento y en el punto de reposo deseado. Estos circuitos se vienen usando desde siempre y los encontrará en numerosas aplicaciones.
Polarización por resistencia de base
Este tipo de polarización corresponde al siguiente circuito:
IcRc VRc
VccVceT
IcVbeIb
Rb
Vbb
Figura 6.27. Polarización por resistencia de base con dos fuentes
El sentido convencional de la corriente indica una circulación del polo más positivo al más negativo de la alimentación.
Fíjese, en el circuito, cómo la Ic debe entrar por el colector y salir por el emisor (flecha indicativa del componente). Asimismo, la Ib debe entrar por el terminal base, sumarse a la Ic y salir también por el emisor. Comprobamos que las polarizaciones de las baterías se encuentran colocadas correctamente:
UD7.- El transistor 30
Colector más positivo que emisor.
Base más positiva que emisor.
¿Para qué queremos las resistencias?
Pues aparte de limitar la corriente y evitar destrozos en el componente, con ellas podemos, gracias a los distintos valores que pueden tomar, ajustar el punto de reposo del transistor a voluntad.
En la práctica las fuentes de tensión de la anterior figura suelen reducirse a una sola, quedando el circuito como sigue:
+Vcc
VRc
VbeIb
Rb
RcIc
Vce
Figura 6.28. Montaje práctico de una polarización para resistencia de base
Compruebe cómo las condiciones de polarización siguen manteniéndose. ¿Cuáles son los valores que podemos ajustar con este montaje? Ya sabe: el punto de reposo, la tensión colector-emisor y la intensidad de colector, según las ecuaciones siguientes:
Vcc = VRc + Vce Ecuación de colector
Vcc = VRb + Vbe Ecuación de base
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UD7..- El Transistor
31
Desarrollándolas tenemos:
Vcc = Rc · Ic + Vce
Vcc = Rb · Ib + Vbe
Las cuales junto a las siguientes permiten el control de la situación paramétrica del transistor.
Ic = Ib ·
Ie = Ic + Ib
Pongamos un ejemplo: en un transistor montado en polarización por resistencia de base se desea que exista una tensión colector-emisor de 5V, y una corriente de colector de 50mA. ¿Qué resistencias debemos colocar si
tenemos = 100 y la tensión de alimentación es de 12V? Vbe = 0,7V.
Vcc = VRc + Vce
VRc = Vcc - Vce = 12 - 5 = 7V
VRc = Rc · Ic Rc = 50mA
7VIc
VRc = 140
Vcc = Rb · Ib + Vbe
Ib = 100
50mAIc
= 0,5 mA
Rb = 0,5mA
0,712Ib
VbeVcc = 22600 22 K6
Observe que el valor de la resistencia de base es más elevado, pues para igual alimentación debe suministrarse 100 veces menos corriente. Se encontrará este efecto muy a menudo.
Le adelantamos que este circuito no es el mejor para polarizar el transistor.
Es así por el problema de la , parámetro que no es constante en la práctica, pues depende de procesos de fabricación, calidades de los cristales dopados,
etc. Así, puede verse en los manuales que los fabricantes indican una
máxima y otra mínima. Por ejemplo el BC547 NPN tiene una mínima de 100 y una máxima de 300.
UD7.- El transistor 32
Para cálculos teóricos se suelen tomar valores intermedios para circuitos en amplificación y mínimos para funcionamiento de corte y saturación. Vamos a
cambiar el transistor del ejemplo anterior, de = 100, por otro de 40 con las
mismas resistencias. Los cálculos quedarán:
Vcc = Vce + VRc Rc = 140
Vcc = Vbe + Rb · Ib Rb = 22 K6
TRANSISTOR IC VCE
= 100 50 mA 5V
= 40 20 mA 9,2 V
12 = 0,7 + 22 K6 · 40Ic
Ic = 20 mA
Vce = Vcc - Rc · Ic = 12 V - 140 · 20mA = 9,2V
Salta a la vista el cambio de valores por el mero hecho de cambiar un transistor por otro. Por ello es muy útil utilizar otros circuitos de polarización, que veremos a continuación, capaces de mantener constantes los parámetros
independientemente del valor de la .
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UD7..- El Transistor
33
Polarización por divisor de tensión de base
Corresponde al siguiente circuito, donde la polarización de base se consigue gracias al divisor de tensión formado por Rb1 y Rb2. El circuito de colector se consigue polarizar con Rc
+Vcc
Rc VRc
Vce
Vbe
Ic
IbB
Rb1
Rb2
IRb1
IRb2
Figura 6.29. Polarización por divisor de tensión de base
La tensión que consigue introducir corriente es la del punto B, y es:
VB = Rb2 · IRb 2
La experiencia dice que es correcto fijar como IRb2 nueve veces la Ib y para IRb1, diez veces Ib:
IRb2 = 9·Ib
IRb1 = 10 · Ib
IRb1 = IRb2 + Ib
La particularidad de este montaje es que la tensión de base-emisor se mantiene en un determinado valor por estar en paralelo con la tensión en el punto B, que también es constante por estar inmerso en un divisor de tensión (Rb1 y Rb2). Así, la corriente de colector también debe mantenerse constante.
Las resistencias de base se calculan de la siguiente manera:
Rb1 = Ib•10VbeVcc
; Rb2 = Ib•9
Vbe
UD7.- El transistor 34
Si colocamos una resistencia en emisor, obtenemos el circuito de la siguiente figura:
+Vcc
Rc VRc
VReRe
Vce
Rb1
Rb2
Ib
Vbe
B
10Ib
9Ib
Figura 6.30. Polarización por divisor de tensión de base con resistencia de emisor
La estabilización del punto de trabajo todavía es mayor en este circuito. Empecemos a estudiarlo:
VB = Vbe + VRe
Despejando:
VRe = VB - Vbe
Tenemos la ecuación de colector un poco más complicada:
Vcc = VRc + Vce + VRe
Pongamos un ejemplo para aclararnos. Sea un transistor de = 100 que queremos situar en un punto de reposo con Vce = 5V e Ic = 50 mA. Deberemos colocar los siguientes valores de resistencia:
Ib = 100
50mAIc
= 0,5 mA
Ie = Ib + Ic = 0,5 mA + 50 mA = 50,5 mA
Vcc = VRc + Vce + VRe; 12 = VRc + 5V + VRe
Si VRe = 1 V fijada, VRc = 12V-5V-1V = 6V
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UD7..- El Transistor
35
Rc = Ic
VRc =
50mA6V
= 120
Re = Ie
VRe=
50,5mA1V
= 19,8
VRb2 = VRe + Vbe = 1V + 0,7V = 1,7V
Rb2 = Ib•9
VRb2 =
0,5mA•91,7V
= 4,5mA1,7V
= 377
Rb1 = 10IbVRb1
= Ib•10
VRb2Vcc =
0,5mA•101,7V12
= 5mA
10,3V=2060 2 K
No se preocupe si a la primera pasada no ha entendido absolutamente nada de este lío de fórmulas. Tómese su tiempo y asimílelas poco a poco. Cuando las entienda, una parte muy importante de la teoría de transistores estará automáticamente comprendida.
Los circuitos de polarización para transistores son unos montajes destinados a establecer y definir un punto de trabajo (ya sabe, llamado de reposo) para el transistor.
UD7.- El transistor 36
1.2. EL TRANSISTOR EN CONMUTACIÓN
Ya hemos dicho que el transistor es un elemento de estado sólido que puede trabajar como amplificador de señales de bajo nivel o bien como conmutador; actúa como una llave de paso que deja o no pasar la corriente fijada previamente, pero nunca permite estados intermedios de conducción.
1.2.1. ZONAS DE TRABAJO DEL TRANSISTOR EN CONMUTACIÓN
Basándonos en el circuito de la figura siguiente y de acuerdo con las curvas de salida del transistor, tenemos que un transistor como este (en conmutación) trabaja siempre en zonas de corte o saturación, pero nunca estará trabajando en la zona intermedia de amplificación.
Vce
Vbe
Rb
RcIc
Ib
S1
+Vcc
ZONA DE SATURACIÓN
ZONA DE CORTE
Ic
Vce
Ib = 0
ZONA DE AMPLIFICACIÓN
Figura 6.31. Zonas de saturación y corte
Saturación
Vcc = Vce + Rc · Ic
Vce 0V
Vcc = Rc · Ic
Ic = Vcc
Rc
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37
Corte
Vcc = Vce + Rc · Ic
Ic = 0 mA
Rc · Ic = 0
Vcc = Vce
Haciendo referencia de nuevo al circuito de la figura anterior, si el interruptor S1 está abierto, la corriente de base Ib = 0, luego Ic = 0, y, por tanto, el transistor se encuentra en zona de corte donde Vce = Vcc.
Si cerramos el interruptor S1, Ib 0, luego Ic 0, y el transistor estará en
zona de saturación.
Ic = RcVcc
; Ib = Ic
; Vce 0
6.1.3. TIeMPOS DE CONMUTACIÓN
En el apartado anterior hemos visto que el transistor tiene dos estados estables en los cuales se puede encontrar por tiempo indefinido, éstos son el estado de corte y el de saturación. Ahora bien, para cambiar de uno a otro emplea unos tiempos denominados tiempos de conmutación. A estos tiempos se les llama Ton y Toff.
Ton El tiempo que tarda en pasar de corte a saturación
Toff El tiempo que tarda en pasar de saturación a corte
Estos tiempos son de gran ayuda si deseamos trabajar a altas frecuencias, existiendo transistores especiales que pasan de corte a saturación en tiempos muy pequeños.
UD7.- El transistor 38
1.2.2. POLARIZACIÓN DEL TRANSISTOR EN CONMUTACIÓN PARA
NPN Y PNP
Repase el circuito y los cálculos de los dos montajes típicos de transistores en conmutación. Compruebe que efectivamente se cumplen todas las ecuaciones siguientes.
+Vcc
RcIc
Rb
Ib
S
Vbb
Figura 6.32. Transistor en conmutación
Ecuación de Colector
Ib = minIc
Vcc = Rc · Ic + Vce Sat
Rc = IcSat
VceSatVcc
Ecuación de Base
Vbb = Rb · Ib + Vbe
Rb = Ib
VbeVbb
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39
Si Vce Sat es muy pequeño, puede despreciarse en las fórmulas, ya que Vce
Sat es aproximadamente 0V (Vce de saturación). Se pone min con el fin de
calcular las resistencias necesarias para saturar cualquier transistor de este
modelo, aunque la sea la mínima (el peor de los casos).
+Vcc
Ic
Rc
Ib
Rb
S
Figura 6.33. Transistor en conmutación
Ecuación de Colector
Vcc = Vcc Sat + Rc · Ic
Rc = IcSat
VceSatVcc
Ecuación de Base
Vcc = Vbe + Rb . Ib
Ib = minIc
Rb = Ib
VbeVcc
UD7.- El transistor 40
1.2.3. MONTAJE EN DARLINGTON
En conmutación es muy normal emplear el transistor para maniobrar "cargas" en colector. Como "carga" se entiende una bombilla, un relé, etc. que podemos encender, apagar, etc. desde una pequeña corriente de base.
+Vcc12V
LAMPARA12V100mA
Ib
Ic
RbS1
Vbb2,5V
Vbe
CIRCUITO DE MANDO
CIRCUITO DE POTENC
Vce 0V
Figura 6.34. Circuito de mando y potencia en un montaje con transistores.
Imaginemos una lámpara que luce cuando la corriente a su través es de
100mA. Si el transistor de la anterior figura tiene una de 100 como valor
mínimo, la corriente de base sólo debe ser de 100 mA/100 = 1mA. Puede comprobar cómo con una corriente de solamente 1mA podemos hacer pasar, otra de 100 mA por la lámpara. El poder de un transistor se pone de manifiesto en casos como éste, y más en aplicaciones de conmutación.
En caso de usar un relé ocurre exactamente lo mismo. Si para activar uno de estos sistemas debemos hacer pasar 100 mA a su través, encontraremos la misma facilidad de maniobra que si empleamos el mismo transistor de la lámpara.
Empleando tecnicismos se denomina "aumentar la sensibilidad de un relé", por ejemplo, a lo comentado anteriormente, es decir, activar o desactivar el relé con una corriente de valor más bajo a su nominal.
No obstante, puede surgirnos la siguiente duda al respecto: ¿qué pasa si la corriente que atraviesa la carga es tan grande que no puede ser maniobrada por la base? Esto toma todavía más cuerpo si comentamos el hecho de que existen ciertos circuitos de control incapaces de suministrar más corriente de salida que unos pocos miliamperios.
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UD7..- El Transistor
41
¿Qué debemos hacer? La respuesta es muy simple, de igual forma que para tirar de un carro pesado ponemos dos caballos en vez de uno, poner dos transistores formando un "tiro" electrónico llamado "montaje en Darlington", que puede ver en la figura siguiente.
+Vcc
ReleIc
C
Montaje en Darlington
T2T1
BRb
Ib
S1
Vbb
CIRCUITO DE MANDO Figura 6.35. Montaje en Darlington
Como resultado de la conexión de los transistores T1 y T2, de la forma anterior conseguimos una beta total, nada más y nada menos que el producto de las dos, es decir:
T del montaje Darlington
T1 del transistor T1
T2 del transistor T2
T T1 · T2
1 1 1
1 1 1 1
2 2 2 1 2 1
1 2
Ic β Ib
Ie (1 β )Ib β Ib
Ic β Ib β β Ib
Ie Ib
Calcule los alcances de este producto. Si tenemos un T1 con T1 de 40 y otro
T2 con T2 de 100, tendremos como resultado de T = 4000, es decir, para maniobrar una intensidad de 1 A (ya respetable) necesitamos una corriente de base de:
Ib = T
Ic
= 40001A
= 0,25 mA
Claro que T2, como habrá observado, deberá ser un transistor de potencia para soportar ese amperio por colector ¿Serviría un 2N3055? Vuelva atrás y compruébelo en la tabla de características máximas.
Un montaje en Darlington consigue betas de valores muy elevados, ideales para manejar cargas de bastante potencia.
UD7.- El transistor 42
1.3. MONTAJES CON TRANSISTORES
Ya sabemos que un relé es un sistema electromecánico que abre o cierra unos contactos si por una bobina hacemos pasar una determinada corriente. Estos contactos a su vez pueden comandar otras cargas.
Para un determinado relé pueden decirnos directamente la corriente necesaria en miliamperios, o la tensión e impedancia que tiene. Por ejemplo,
un relé comercial de 12V de corriente continua y 270 de impedancia de la
bobina consumirá 270
12V 45 mA, corriente a comandar desde nuestro
circuito con transistores.
Pasemos a ver algunos ejemplos, prácticas reales realizadas y comprobadas. Por ello existen unos cuadros de medidas en "campo". Usted también puede comprobarlos.
1.3.1. RELÉ EN COLECTOR
Vcc 12V
D1=1N4007
T1=325
Relé12V
270
Rb = 82K
S1
Cálculos
Ib = Ic
= 325
44,5mA = 136 A
Rb = Ib
VbeVcc =
A1360,712V
=83.088 82 K
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43
Medidas
Ic Ib Vce Vrelé
V. Calculados 44,5 mA 136 A 1V 11V
V. Medidas 44 mA 130 A 1V 11V
Memoria
Funcionamiento
Al originar una Ib, se origina por tanto una Ic que atraviesa el relé, al ser la Ic la corriente de Relé, éste tiene 11V y 44,5 mA, suficientes para cerrar los contactos del relé.
Observaciones
Este circuito aumenta la sensibilidad del relé: con un voltaje y corrientes pequeñas conseguimos controlar una corriente mucho más grande que accione el relé.
El diodo sirve para, una vez desactivado el circuito, liberar la fuerza contraelectromotriz creada en la bobina del relé.
UD7.- El transistor 44
1.3.2. MONTAJE EN DARLINGTON
Circuito (1)
+Vcc 12V
D11N4007
T2
T1S1
ReleRb
2M+Vcc
T1 =BC147B
T2 = MC140
2 = 40
1 = 200
Cálculos (1)
En la anterior práctica hemos sido incapaces de bajar la tensión de colector-emisor por debajo de 1V por lo que a partir de aquí contamos con ella, y por ello V Relé = 11 V (12 V - 1 V).
Ic = Irelé = Rele
VRele =
27011V
= 40,7 mA
T = 1 · 2 = 200 · 40 = 8000; Ib = Ic
= 8000
40,7mA = 5A
Rb = Ib
Vbe2Vbe1Vcc =
A51,4V12V
= 2M1 2M
Medidas (1)
S1 cerrado
Vce2 Ic relé Ib1 Ib2 V relé
Calculados 1V 40,7 mA 5 A 1,01 mA 11 V
Medidos 1V 41 mA 5A 1 mA 11 V
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45
S2 abierto
VceT2 = 12V
Memoria (1)
Este montaje se llama Darlington. Con él conseguimos que la del conjunto
de transistores sea el producto de sus respectivas , con lo que conseguimos
que con una pequeñísima Ib (Ib = Ic = Ib ) controlemos una Ic
bastante grande, que utilizamos para el control del relé.
Los números detrás de las indicaciones corresponden al número de transistor. Por ejemplo, Vbe1 significa “tensión base-emisor del transistor 1”, Vce2 es “tensión colector-emisor
del transistor 2”, 2 es “beta del transistor 2”, etc.
Circuito (2)
+Vcc
T2T1
D11N4007
Relé
Rb120kS1
+Vcc
T1 = BC147
T2 = MC140
= 40
= 200
Cálculos (2)
T = 1 · 2 = 200 · 40 = 8000
Ib1 = Ic
Ic = I Relé = RReleVRele
= 270
10V = 37 mA
Dejamos 2V en VceT2 para no apurar la saturación del Darlington.
UD7.- El transistor 46
Ib1 = Ic
= 800037mA
= 4,6 A
Rb = Vcc Vbe1 Vbe2 VRele
Ib =
A4,6101,412
= 130 K 120 K
Ic1 = · Ib1 = 200 · 4,6 mA = 920 mA = 920 mA
Ib2 = Ib1 + Ic1 = 4,6 mA + 920 mA = 9,24 mA
Ic2 = 2 · Ib2 = 40 · 924 mA = 37 mA
Medidas (2)
S1 Cerrado
Vce2 I relé Ib1 Ib2 V relé
Calculados 2V 40,7 mA 4,6 A 924 A 10 V
Medidos 2V 41 mA 5A 1 mA 10 V
S1 Abierto medida única: Vce2 = 12 V
Memoria (2)
En este circuito ocurre como en el anterior, sólo que el relé está en el emisor
y también la T es el producto de las betas. Como la total es muy grande, la corriente de base del conjunto es pequeña y se pueden controlar corrientes grandes de colector con poca señal.
Electrónica Analógica
UD7..- El Transistor
47
1.3.3. MANDO RELÉ CON DOS TRANSISTORES NPN
Circuito (1)
S1
R12M
T1BC147
T2MC140
Relé
+Vcc12V
D11N4007R2
1K
T1 = C147
T2 = MC140
= 40
= 200
Vcc = 12VR310K
Cálculos (1)
Supondremos que la tensión Vce en saturación será 1V, de esta forma podemos calcular la corriente en el relé cuanto T2 esté en saturación.
Conociendo el valor de β2 podemos calcular la corriente que necesitaremos en base para llegar a saturación.(corriente como mínimo)
El transistor T2 entrará en saturación cuanto T1 esté bloqueo y por lo tanto podemos establecer la ecuación de corriente de base Ib como sigue
Determinamos R2=1K (puede ser válido cualquier otra combinación) por lo tanto R3=10K.
UD7.- El transistor 48
Bajo esta situación podemos calcular el valor de R1 para que entre en saturación T1 al activar el pulsador S1. Podemos calcular la corriente Ic1 cuando T1 esté en saturación.(Consideramos que Vce=1V)
Ahora calculamos el valor de Ib2 (mínimo):
Por otro lado podemos establecer la ecuación de la corriente de base como:
Como resumen los valores de resistencias deberán ser las siguientes:
R1=200K
R2=1K
R3=10K
Es interesante observar que existen varias soluciones al mismo problema, por ejemplo podríamos haber propuesto:
Si debemos cumplir la condición que: podemos tomar que R3=0Ω y hacer R2=10K.
Es ese caso se puede comprobar repitiendo los pasos anteriores que el valor de R1 debe ser de 2M.
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49
1.3.4. CIRCUITO CON DOBLE MANDO
Circuito
+Vcc12V
R3
T3MC140
T2BC147
T1BC147
Relé
R4
R1
R2
D11N4007
A
BT1 y T2=110
T3=40
Vcc=12V
Cálculos
Ic3 =
27011V
RreleVrele
= 40 mA
Ib1 = 1
Ic1
= A118110
)fijada(mA20
K100K95A118
7,012
1Ib
1VbeVcc1R
Ib2 = 2
Ic2
= A118110
mA20
K10095A118
7,012
2Ib
2VbeVcc2R
Ib3 = 3
Ic3
= mA140
mA40
UD7.- El transistor 50
R4=1mA
0,7V11V12VIb3
Vbe3VR3(satT1)Vcc = 300 330
R3 = Vcc VceT1 12 1VIc1 20mA
= 550 560
Medidas
A B Estado relé VceT1 VceT2 VceT3 Ic1 Ic2 Ic3 Vrelé
A y B a masa 0 0 Activado 11 V 12 V 1 V 40mA 40mA 11V
A a Vcc amasa 1 0 Desactivado 0,3 V 0,3 V 12 V 20mA 20mA 0
A a masa y B a Vcc 0 1 Desactivado 0,5 V 0,5 V 12 V 20mA 0
A y B a Vcc 1 1 Desactivado 0,5 V 0,5 V 12 V 20mA
Memoria
Posiciones:
0-0 (A y B a masa). T1 y T2 se cortan, por lo que en T3 hay tensión de polarización y el relé funciona, al saturarse T3.
1-0 (A a Vcc y B a masa). Como T1 y T2 están en paralelo, han de tener la misma posición o estado. En este caso están saturados y T3 no tiene suficiente tensión y está cortado. El relé no funciona.
0-1 (A a masa y B a Vcc). Pasa como con el caso anterior: los transistores están saturados, menos T3, y el relé no funciona.
1-1 (A a masa y B a Vcc). Los dos transistores T1 y T2, están saturados. Por tener tensión directa de polarización T3 está cortado y el relé desactivado.
Electrónica Analógica
UD7..- El Transistor
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1.3.5. TEMPORIZACIÓN AL CIERRE DE UN RELÉ
Circuito
+Vcc12V
Ic237mA
Ic130mAR1
100K
C110F
R2330 Rele
T1 = T2 = BC147B
1 = 2 = 200
T1T2
D11N4007
Datos
VcT1 = 11,5 V
IcT2 = 37 mA.
Relé = 270 /10V
Vcc = 12V
T = 5 segundos de temporización.
Cálculos
Con C1 cargado:
T = R1×C1; C1 = 10f (fijado)
IcT1 = 30mA fijada
Si R1 = 100 K y
C1 = 10 F, t = 5 · R1 · C1 = 5 · 100K · 10 F = 5 seg.
VC1 = Vbe1+R2 · Ic1 Ic1 Ie1
UD7.- El transistor 52
R2 = Ic1
VbeVC1 =
360
mA30
7,011
Ib2 = 2
Ic2
= A185200
mA37
Ib1 = 1
Ic1
= A150200
mA30
Medidas
Con C1 cargado
Vce1 Vce2 Ic1 Ic2 Ib1 Ib2
1V 1V 30mA 38mA 150A 175A
relé activado
Con C1 descargado
Vce1 Vce2 Ib1 Ib2
12 V 12 V 0 0
relé desactivado
Memoria
Es necesario ajustar algún valor de resistencia para conseguir el tiempo de 5 seg. El funcionamiento es el siguiente: en el instante inicial, C1 está descargado (0V) con lo que T1 está en corte y el relé desactivado. Sólo se activará cuando la tensión en C1 consiga saturar a T1, eso sí, tras 5 segundos.
Electrónica Analógica
UD7..- El Transistor
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RESUMEN
El transistor utiliza tres cristales semiconductores para su funcionamiento, conectándolos uno al lado de otro, dando lugar a los tipos NPN y PNP.
El efecto transistor consiste en poder manejar o controlar una determinada corriente gracias a la variación de otra más pequeña. La corriente a controlar suele circular por el colector, mientras que la de control es la de base.
Existen determinadas formas de polarizar a transistor. Éstas son distintas y ofrecen unas ventajas e inconvenientes. La más usada es la de emisor común.
El punto de reposo de un transistor es el punto exacto donde se encuentra trabajando, definido por una corriente de colector y una tensión de colector-emisor.
El montaje en Darlington es una aplicación especial de los transistores, mediante la que se consigue aumentar en gran forma la corriente susceptible de ser controlada.