EL TRANSISTOR - Fundación San Valeroprofesores.sanvalero.net/~arnadillo/Documentos/Apuntes/Analogica... · Polarización del transistor en conmutación para ... Montaje en Darlington

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


UD7. El Transistor

3

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.



5

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.


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.



7

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


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).

-

--

-

-

--

--

-

- -

-


colectoremisor

baseIb

Vee = 0,7V

P PN

-

-

-

-

Ie

Figura 6.5. Polarización directa de la unión emisor-base de un transistor PNP



9

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.


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:


emisor colector

base

Vee 0,7V Vcc

Ie Ib Ic

N NP

-

-

- -

-

-

-

-

- -

-

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Figura 6.8. Efecto de la doble polarización



11

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.


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



13

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.


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.



15

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.


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



17

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.


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.



19

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.


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?



21

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.


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



23

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.


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:



25

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


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.



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.


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



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:


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



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.


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 .



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


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



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.


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



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.


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



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


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.



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.


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



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.


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



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.


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.



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.


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.



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


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.



51

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


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.



53

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.

Documents

EL TRANSISTOR - Fundación San Valeroprofesores.sanvalero.net/~arnadillo/Documentos/Apuntes/Analogica... · Polarización del transistor en conmutación para ... Montaje en Darlington