En este tutorial de transistores, aprenderás a operar un transistor con un interruptor. La conmutación y la amplificación son dos aplicaciones de los transistores, y los interruptores son la base de muchos circuitos digitales. Aprenderá los diferentes modos de funcionamiento de los transistores (activos, saturados y bloqueados), cómo funcionan los transistores como interruptores (tanto NPN como PNP) y algunos circuitos de aplicación práctica que utilizan transistores como interruptores.
Tabla de contenido
- Introducción
- Una nota rápida sobre BJT
- Modos de funcionamiento de los transistores
- Transistores como interruptores
- conclusión
Introducción
Los transistores son dispositivos semiconductores de tres capas y tres terminales que se utilizan a menudo para tareas de amplificación y conmutación de señales. Como uno de los dispositivos electrónicos importantes, los transistores se han utilizado en una amplia gama de aplicaciones, como sistemas integrados, circuitos digitales y sistemas de control.
Los transistores se pueden encontrar tanto en el ámbito digital como en el analógico, ya que se utilizan ampliamente en diversas aplicaciones, como circuitos de conmutación, circuitos amplificadores, circuitos de suministro de energía, circuitos lógicos digitales, reguladores de voltaje, circuitos osciladores, etc.
En este artículo, nos centraremos principalmente en el comportamiento de conmutación de los transistores y discutiremos brevemente los transistores como interruptores.
Una nota rápida sobre BJT
Hay dos familias principales de transistores: los transistores de unión bipolar (BJT) y los transistores de efecto de campo (FET). Un transistor de unión bipolar, o simplemente BJT, es un dispositivo semiconductor de tres capas, tres terminales y dos uniones. Consta de una capa intermedia común y dos uniones PN unidas continuamente.
Siempre que decimos el término ‘transistor’, a menudo nos referimos a BJT. Es un dispositivo de control de corriente en el que la corriente de salida está controlada por la corriente de entrada. El nombre bipolar indica que en BJT, dos tipos de portadores de carga, electrones y huecos, conducen la corriente eléctrica, donde el agujero es el portador de carga positiva y el electrón es el portador de carga negativa.
Hay tres áreas para los transistores: base, emisor y colector. El emisor es un terminal fuertemente dopado y emite electrones a la base. Los terminales de la base están ligeramente dopados para transferir los electrones inyectados en el emisor al colector. Los terminales del colector están moderadamente dopados para recoger electrones de la base. Este colector de polvo es más grande en tamaño en comparación con las otras dos áreas, por lo que puede disipar más calor.
Hay dos tipos de BJT: NPN y PNP. Ambos funcionan de la misma manera, pero difieren en términos de polarización y polaridad de la fuente de alimentación. En un transistor PNP, el material de tipo N se intercala entre dos materiales de tipo P, mientras que en el caso de un transistor NPN, el material de tipo P se intercala entre dos materiales de tipo N.
Estos dos transistores se pueden configurar en diferentes tipos, como un emisor común, un colector común y una configuración de base común.
Para operar un MOSFET como un interruptor, primero aprenda los conceptos básicos de un MOSFET.
Modos de funcionamiento de los transistores
Dependiendo de la condición de polarización, como hacia adelante o hacia atrás, el transistor tiene tres modos principales de funcionamiento: zona bloqueada, activa y saturada.
MODO ACTIVO
En este modo, el transistor se utiliza generalmente como amplificador de corriente. En el modo activo, las dos articulaciones están polarizadas de manera diferente, lo que significa que la unión emisor-base está polarizada hacia adelante, mientras que la unión colector-base está polarizada hacia atrás. En este modo, la corriente fluye entre el emisor y el colector, y la cantidad de flujo de corriente es proporcional a la corriente base.
Modo de corte
En este modo, tanto la base del colector como las uniones de la base del emisor tienen polarización inversa. Debido a que ambas uniones PN tienen polarización inversa, hay muy poco flujo de corriente, excepto por pequeñas corrientes de fuga (generalmente del orden de unos pocos nanoamperios o picohamps). En este modo, el BJT está apagado y es esencialmente un circuito abierto.
El área de corte se utiliza principalmente para circuitos lógicos digitales y de conmutación.
Modo de saturación
En este modo de operación, tanto las uniones emisor-base como colector-base están polarizadas hacia adelante. La corriente fluye libremente desde el colector hasta el emisor con una resistencia de casi cero. En este modo, los transistores están completamente encendidos y son esencialmente de circuito cerrado.
Las regiones de saturación también se utilizan principalmente para circuitos lógicos digitales y de conmutación.
La siguiente figura muestra las características de salida de BJT. En la siguiente figura, la zona de corte tiene condiciones de funcionamiento cuando la corriente del colector de salida es 0, la corriente de entrada básica es 0 y el voltaje máximo del colector. Estos parámetros provocan una gran capa de privación, que no permite que la corriente fluya a través del transistor. Por lo tanto, el transistor está completamente apagado.
De manera similar, en la región de saturación, el transistor está polarizado de tal manera que se aplica la corriente fundamental máxima, lo que da como resultado la corriente máxima del colector y el voltaje mínimo del colector-emisor. Esto hace que la capa de privación sea más pequeña y permite que la corriente máxima fluya a través del transistor. Por lo tanto, el transistor está completamente encendido.
Entonces, a partir de la discusión anterior, podemos decir que se puede hacer que los transistores operen transistores en las zonas de bloqueo y saturación, haciéndolos funcionar como interruptores de estado sólido ON/OFF. Este tipo de aplicación de conmutación se utiliza para controlar LED, motores, lámparas, solenoides, etc.
Transistores como interruptores
Los transistores se pueden utilizar para operaciones de conmutación para abrir o cerrar circuitos. Este tipo de conmutación de estado sólido ofrece una fiabilidad significativa y un bajo coste en comparación con los relés convencionales.
Tanto los transistores NPN como PNP se pueden utilizar como interruptores. Algunas aplicaciones utilizan transistores de potencia como dispositivos de conmutación, y puede ser necesario utilizar diferentes transistores de nivel de señal para impulsar los transistores de alta potencia.
Transistores NPN como conmutadores
La operación de conmutación se lleva a cabo de acuerdo con el voltaje aplicado a los terminales base del transistor. Tensión suficiente (Ven > 0,7 V) se aplica entre la base y el emisor, y el voltaje colector-emisor es aproximadamente igual a cero. Por lo tanto, el transistor actúa como un cortocircuito. Corriente del colector VReferencia (CC) /RC Fluye a través del transistor.
Del mismo modo, si no se aplica voltaje o voltaje cero a la entrada, el transistor funciona en la zona de corte y funciona como un circuito abierto. En este tipo de conexión de conmutación, la carga (aquí el LED se utiliza como carga) se conecta a la salida de conmutación mediante un punto de referencia. Por lo tanto, cuando se enciende el transistor, la corriente fluye a través de la carga desde la fuente hasta el suelo.
Ejemplos de transistores NPN como conmutadores
Considere el siguiente ejemplo.B = 50 KΩ, resistencia del colector RC = 0,7 KΩ, VReferencia (CC) es de 5 V y el valor beta es de 125. La base está provista de una señal de entrada entre 0V y 5V. Vamos a cambiar V para ver la salida en el colector.Soy yo En dos estados, 0 y 5 V, como se muestra.
Soy yoC = VReferencia (CC) /RC, Vcerio = 0
Soy yoC = 5V / 0.7KΩ
Soy yoC = 7,1 mA
Corriente base IB = IC / β
Soy yoB = 7,1 mA / 125
Soy yoB = 56,8 μA
A partir de los cálculos anteriores, el valor máximo o pico de la corriente del colector en el circuito es de 7,1 mA cuando es V.cerio es igual a 0. Y la corriente base correspondiente a esta corriente del colector es de 56,8 μA.
Por lo tanto, es evidente que cuando la corriente básica aumenta a más de 56,8 microamperios, el transistor entra en modo de saturación.
Considere el caso en el que se aplican 0 voltios a la entrada. Esto hace que la corriente base llegue a cero y cuando el emisor está conectado a tierra, la unión de la base del emisor no está polarizada hacia adelante. Por lo tanto, el transistor está en estado apagado y el voltaje de salida del colector es igual a 5 V.
Cuando VSoy yo = 0V, IB = 0 e IC =0,
VC = VReferencia (CC) – (IC * RC)
= 5V – 0
= 5V
Suponiendo que el voltaje de entrada aplicado es de 5 V, podemos aplicar la ley de voltaje de Kirchhoff para determinar la corriente fundamental.
Cuando VSoy yo = 5V,
Soy yoB = (VSoy yo – VSer) / RB
V para transistores de silicioSer = 0,7 V
Por lo tanto,B = (5V – 0.7V) / 50KΩ
= 86 μA (mayor que 56,8 μA)
Por lo tanto, debido a que la corriente base es mayor que la corriente de 56,8 microamperios, el transistor se acciona cuando está saturado, es decir, completamente encendido cuando se aplican 5 V a la entrada. Como resultado, la salida del colector será casi nula.
Transistor PNP como conmutador
Los transistores PNP se comportan igual que los NPN en su comportamiento de conmutación, pero la corriente fluye desde la base. Este tipo de conmutación se utiliza en la construcción de suelos catódicos. En el caso de los transistores PNP, el terminal base siempre está sesgado negativamente contra el emisor.
En esta conmutación, cuando el voltaje base es más negativo, fluye la corriente básica. En pocas palabras, un voltaje más bajo o un voltaje más negativo cortocircuitará el transistor, de lo contrario será un circuito abierto.
En esta conexión, la carga se conecta a la salida de conmutación del transistor mediante un punto de referencia. Cuando se enciende el transistor, la corriente fluye desde la fuente, a través del transistor, a la carga y finalmente a tierra.
Ejemplo de un transistor PNP como conmutador
Al igual que el circuito del interruptor de transistor NPN, la entrada del circuito PNP también es la base, pero como se muestra, el emisor está conectado a voltaje constante y el colector está conectado a tierra a través de la carga.
En esta configuración, los graves siempre están polarizados negativamente con respecto al emisor conectando la base y el emisor en el lado positivo de la potencia de entrada. Por lo tanto, el voltaje VSer es negativo, y la tensión de alimentación del emisor al colector es positiva (Vcerio positivo).
Por lo tanto, para la conducción de los emisores de transistores debe ser más positivo tanto en el colector como en la base. En otras palabras, la base debe ser más negativa para el emisor.
Para calcular las corrientes base y colectora se utiliza la siguiente expresión:
Soy yoC = IE –Soy yoB
Soy yoC = β * IB
Soy yoB = IC / β
Teniendo en cuenta el ejemplo anterior, la carga requiere una corriente de 100 miliamperios y el transistor tiene un valor beta de 100. Entonces la corriente requerida para la saturación del transistor es:
Corriente fundamental mínima = Corriente del colector/β
= 100 mA / 100
= 1 mA
Por lo tanto, cuando la corriente base es de 1 mA, el transistor está completamente encendido. Sin embargo, para asegurar la saturación de los transistores, se requiere prácticamente más del 30% de corriente. Por lo tanto, la corriente básica requerida en este ejemplo es de 1,3 mA.
Un ejemplo real de un transistor como interruptor
LED de conmutación de transistores
Como se ha comentado anteriormente, los transistores pueden utilizarse como interruptores. El siguiente esquema muestra cómo se pueden usar los transistores para conmutar diodos emisores de luz (LED).
- Cuando se abre el interruptor en el terminal de la base, no fluye corriente a través de la base y el transistor está en un estado de corte. Por lo tanto, el transistor funcionará como un circuito abierto y el LED estará apagado.
- Cuando el interruptor está cerrado, la corriente básica comienza a fluir a través del transistor, luego cambia a saturación y el LED se enciende.
- Se coloca una resistencia para limitar la corriente que pasa a través de la base y el LED. También puede cambiar la intensidad del LED cambiando la resistencia de la ruta de corriente subyacente.
El transistor que impulsa el relé
También es posible utilizar transistores para controlar el comportamiento del relé. Un pequeño conjunto de circuitos en los transistores puede alimentar las bobinas del relé, lo que garantiza que la carga externa conectada esté controlada.
- Siga el circuito a continuación para conocer el funcionamiento del transistor para alimentar la bobina del relé de convictos. La entrada aplicada a la base impulsa el transistor hacia la región saturada, lo que resulta en un cortocircuito del circuito. Por lo tanto, la bobina del relé se energiza y los contactos del relé están operativos.
- La eliminación brusca de potencia en cargas inductivas, especialmente en la conmutación de motores e inductores, puede mantener un alto potencial en toda la bobina. Este alto voltaje puede causar daños significativos al resto del circuito. Por lo tanto, los diodos deben usarse en paralelo con la carga inductiva para proteger el circuito de la tensión inducida de la carga inductiva.
El transistor que impulsa el motor
- Los transistores también se pueden usar para impulsar y regular la velocidad de un motor de CC unidireccionalmente cambiando los transistores a intervalos de tiempo regulares, como se muestra en la siguiente figura.
- Como se mencionó anteriormente, los motores de CC también son cargas inductivas, por lo que deben colocarse a través de los diodos de rueda libre para proteger el circuito.
- Al cambiar los transistores en las zonas de corte y saturación, el motor se puede encender y apagar repetidamente.
- Además, la velocidad del motor se puede ajustar desde parado hasta velocidad máxima conmutando transistores a frecuencias variables. Las frecuencias de conmutación se pueden obtener de dispositivos de control o circuitos integrados, como microcontroladores.
¿Tienes una idea clara de cómo usar un transistor como interruptor? Con suerte, la información proporcionada con las imágenes y ejemplos relevantes aclarará todo el concepto de conmutación de transistores. Además, si tienes dudas, sugerencias y comentarios, puedes escribirlos a continuación.
conclusión
Este es un tutorial completo sobre cómo usar un transistor como interruptor. Aprenda los conceptos básicos de los transistores de unión bipolar, las áreas de trabajo de los transistores, el funcionamiento de los transistores NPN y PNP como interruptores y la aplicación práctica de los transistores de conmutación.