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El transistor como interruptor - Usando la conmutación de transistor

Transistores

Cuando se utiliza como un amplificador de señal de CA, eltransistores La tensión de polarización de base se aplica de manera que siempre opera dentro de su región "activa", es decir, la parte lineal de las características de salida se utilizan las curvas.

Sin embargo, los transistores bipolares de tipo NPN y PNP se pueden hacer funcionar como un interruptor de estado sólido de tipo "ENCENDIDO / APAGADO" mediante la polarización de los terminales de la base de los transistores de manera diferente al de un amplificador de señal.

Los interruptores de estado sólido son uno de los principalesaplicaciones para el uso de transistor para cambiar una salida de CC "ON" u "OFF". Algunos dispositivos de salida, como los LED, solo requieren unos pocos miliamperios a voltajes de CC de nivel lógico y, por lo tanto, pueden ser controlados directamente por la salida de una puerta lógica. Sin embargo, los dispositivos de alta potencia, como motores, solenoides o lámparas, a menudo requieren más energía que la suministrada por una compuerta lógica ordinaria, por lo que se utilizan interruptores de transistores.

Si el circuito utiliza el Transistor bipolar como interruptorLuego, la polarización del transistor, ya sea NPN o PNP, está dispuesta para operar el transistor a ambos lados de las curvas de características "I-V" que hemos visto anteriormente.

Las áreas de operación para un interruptor de transistor son conocidas como Región de saturación y el Región de corte. Esto significa entonces que podemos ignorar elopera el circuito de desviación de polarización y polarización del punto Q requerido para la amplificación, y utiliza el transistor como un interruptor conduciéndolo hacia adelante y hacia atrás entre sus regiones de "apagado total" (corte) y de "encendido completo" (saturación) como se muestra abajo.

Transistor interruptor de las regiones de operación

región de operación del interruptor de transistor

El área sombreada rosa en la parte inferior de las curvas.representa la región de "corte" mientras que el área azul a la izquierda representa la región de "saturación" del transistor. Estas dos regiones de transistores se definen como:

1. Región de corte

Aquí las condiciones de operación del transistor son cero corriente de base de entrada (Isegundo ), corriente de colector de salida cero (Ido ) y la tensión máxima del colector (VCE ) que produce una gran capa de agotamiento y no fluye corriente a través del dispositivo. Por lo tanto, el transistor se apaga "Totalmente apagado".

Características de corte

interruptor de transistor en corte
  • • La entrada y la base están conectadas a tierra (0v)
  • • Tensión base-emisor VSER <0.7v
  • • La unión base-emisor está polarizada inversamente
  • • La unión base-colector está polarizada en sentido inverso
  • • El transistor está “completamente apagado” (región de corte)
  • • No hay flujos de corriente del colector (Ido = 0)
  • • VAFUERA = VCE = VCC = ”1 ″
  • • El transistor funciona como un "interruptor abierto"

Luego podemos definir la "región de corte" o el "modo OFF" cuando se usa un transistor bipolar como interruptor, ambas uniones están polarizadas en sentido inverso, Vsegundo <0.7v y yodo = 0. Para un transistor PNP, el potencial del Emisor debe ser negativo con respecto a la Base.

2. Región de saturación

Aquí el transistor estará polarizado para que else aplica la cantidad máxima de corriente de base, lo que da como resultado una corriente de colector máxima que resulta en la caída de voltaje mínima del emisor del colector que hace que la capa de agotamiento sea lo más pequeña posible y la corriente máxima fluya a través del transistor. Por lo tanto, el transistor se enciende "Totalmente encendido".

Caracteristicas de saturacion

interruptor de transistor en saturación
  • • La entrada y la base están conectadas a VCC
  • • Tensión base-emisor VSER > 0.7v
  • • La unión Base-Emisor está sesgada hacia adelante
  • • La unión base-colector está sesgada hacia adelante
  • • El transistor está “totalmente activado” (región de saturación)
  • • Caudales máximos de corriente del colector (Ido = Vcc / RL )
  • • VCE = 0 (saturación ideal)
  • • VAFUERA = VCE = ”0 ″
  • • El transistor funciona como un "interruptor cerrado"

Luego podemos definir la "región de saturación" o el "modo ENCENDIDO" cuando se usa un transistor bipolar como interruptor, ambas uniones están polarizadas hacia adelante, Vsegundo > 0.7v y yodo = Maximo Para un transistor PNP, el potencial del Emisor debe ser positivo con respecto a la Base.

Entonces el transistor funciona como uninterruptor de estado sólido de un solo tiro (SPST). Con una señal de cero aplicada a la base del transistor, se apaga y actúa como un interruptor abierto y la corriente del colector cero fluye. Con una señal positiva aplicada a la base del transistor, se pone en "ON" actuando como un interruptor cerrado y la corriente máxima del circuito fluye a través del dispositivo.

La forma más sencilla de cambiar de moderada a altala cantidad de energía es utilizar el transistor con una salida de colector abierto y el terminal del emisor de los transistores conectado directamente a tierra. Cuando se usa de esta manera, la salida del colector abierto de los transistores puede, por lo tanto, "hundir" una tensión suministrada externamente a tierra, controlando así cualquier carga conectada.

Un ejemplo de un Transistor NPN como un interruptor siendoutilizado para operar un relé se da a continuación. Con cargas inductivas, como relés o solenoides, se coloca un diodo de volante a través de la carga para disipar el EMF trasero generado por la carga inductiva cuando el transistor se apaga y así protege al transistor de daños. Si la carga es de una corriente o voltaje muy alto, como motores, calentadores, etc., entonces la corriente de carga se puede controlar a través de un relé adecuado, como se muestra.

Circuito de conmutación de transistor NPN básico

npn transistor como un interruptor

El circuito se asemeja al de la Emisor común Circuito que vimos en los tutoriales anteriores. La diferencia esta vez es que para operar el transistor como un interruptor, el transistor debe estar completamente apagado (apagado) o completamente encendido (saturado). Un interruptor de transistor ideal tendría una resistencia de circuito infinita entre el colector y el emisor cuando se "desactiva", lo que da como resultado una corriente de cero que fluye a través de él y una resistencia cero entre el colector y el emisor cuando se enciende "completamente", lo que da como resultado un flujo de corriente máximo.

En la práctica, cuando el transistor se pone en "OFF", pequeñas corrientes de fuga fluyen a través del transistor y cuando está "ON" por completo, el dispositivo tiene un valor de resistencia bajo que causa un pequeño voltaje de saturación (VCE ) a través de él. A pesar de que el transistor no es un interruptor perfecto, tanto en las regiones de corte como de saturación, la potencia disipada por el transistor es mínima.

Para que la corriente base fluya, la baseel terminal de entrada debe ser más positivo que el Emisor al aumentarlo por encima de los 0.7 voltios necesarios para un dispositivo de silicio. Variando este voltaje base-emisor VSERLa corriente de base también se altera y, a su vez, controla la cantidad de corriente del colector que fluye a través del transistor como se explicó anteriormente.

Cuando la corriente máxima del colector fluye, se dice que el transistor es Saturado. El valor de la resistencia de la Base determina la cantidad de voltaje de entrada que se requiere y la corriente de la Base correspondiente para que el transistor esté completamente "ENCENDIDO".

Transistor como un ejemplo de interruptor No1

Usando los valores de transistores del anterior.En los tutoriales de: β = 200, Ic = 4 mA e Ib = 20uA, encuentre el valor de la resistencia de Base (Rb) requerida para cambiar la carga completamente a “ENCENDIDO” cuando la tensión del terminal de entrada exceda de 2.5v.

Resistencia de la base del interruptor del transistor

El siguiente valor preferido más bajo es: 82 kΩ, esto garantiza que el interruptor del transistor siempre esté saturado.

Transistor como un ejemplo de interruptor No2

Nuevamente usando los mismos valores, encuentra el mínimoCorriente de base requerida para encender el transistor "completamente ENCENDIDO" (saturado) para una carga que requiere 200 mA de corriente cuando la tensión de entrada aumenta a 5.0V. También calcule el nuevo valor de Rb.

Transistor base actual:

corriente de base de transistor

Resistencia de la base del transistor:

resistencia de la base del transistor

Los interruptores de transistores se utilizan para una amplia variedadde aplicaciones tales como la interconexión de dispositivos de alto voltaje o de corriente grandes como motores, relés o lámparas a circuitos integrados digitales de baja tensión o puertas lógicas como puertas AND o puertas OR. En este caso, la salida de una compuerta lógica digital es solo de + 5v, pero el dispositivo a controlar puede requerir un suministro de 12 o incluso 24 voltios. O es posible que la carga, como un motor de CC, deba controlar su velocidad mediante una serie de pulsos (modulación de ancho de pulso). Los interruptores de transistores nos permitirán hacer esto más rápido y más fácilmente que con los interruptores mecánicos convencionales.

Interruptor de transistor de lógica digital

interruptor de transistor de lógica digital

La resistencia de base, Rb se requiere para limitar la corriente de salida de la puerta lógica.

Interruptor de Transistor PNP

También podemos usar los Transistores PNP como un interruptor,la diferencia esta vez es que la carga está conectada a tierra (0v) y el transistor PNP le cambia la alimentación. Para encender el transistor PNP como interruptor "ON", el terminal Base está conectado a tierra o a cero voltios (BAJO) como se muestra.

Circuito de conmutación de transistores PNP

transistor pnp como un interruptor

Las ecuaciones para calcular la base.la resistencia, la corriente del colector y los voltajes son exactamente los mismos que para el interruptor de transistor NPN anterior. La diferencia esta vez es que estamos cambiando la potencia con un transistor PNP (fuente de corriente) en lugar de cambiar a tierra con un transistor NPN (corriente de hundimiento).

Interruptor de transistor Darlington

A veces la corriente de corriente continua del bipolar.el transistor es demasiado bajo para cambiar directamente la corriente de carga o el voltaje, por lo que se utilizan múltiples transistores de conmutación. Aquí, se utiliza un pequeño transistor de entrada para encender o apagar un transistor de salida de manejo de corriente mucho más grande. Para maximizar la ganancia de señal, los dos transistores están conectados en una "Configuración de composición de ganancia complementaria" o lo que más comúnmente se llama "Configuración Darlington”Donde el factor de amplificación es el producto de los dos transistores individuales.

Transistores Darlington simplemente contiene dos NPN o PNP bipolares individualestransistores de tipo conectados entre sí de modo que la ganancia de corriente del primer transistor se multiplique con la de la ganancia de corriente del segundo transistor para producir un dispositivo que actúa como un solo transistor con una ganancia de corriente muy alta para una corriente de base mucho más pequeña. La ganancia actual general Beta (β) o el valor de hfe de un dispositivo Darlington es el producto de las dos ganancias individuales de los transistores y se proporciona como:

Darlington ganancia de corriente del transistor

Transistores de Darlington con valores β muy altos.y las altas corrientes del colector son posibles en comparación con un solo interruptor de transistor. Por ejemplo, si el primer transistor de entrada tiene una ganancia de corriente de 100 y el segundo transistor de conmutación tiene una ganancia de corriente de 50, entonces la ganancia de corriente total será de 100 * 50 = 5000. Por ejemplo, si nuestra corriente de carga desde arriba es de 200 mA , entonces la corriente base de Darlington es de solo 200mA / 5000 = 40uA. Una gran reducción de los 1 mA anteriores para un solo transistor.

A continuación se muestra un ejemplo de los dos tipos básicos de configuraciones de transistores Darlington.

Configuraciones de transistores Darlington

transistor Darlington como un interruptor

El interruptor de transistor Darlington NPN anteriorla configuración muestra los colectores de los dos transistores conectados entre sí con el emisor del primer transistor conectado al terminal base del segundo transistor, por lo que la corriente del emisor del primer transistor se convierte en la corriente base del segundo transistor que lo enciende.

El primer transistor o "entrada" recibe elSeñal de entrada a su base. Este transistor lo amplifica de la forma habitual y lo utiliza para impulsar los segundos transistores de "salida" más grandes. El segundo transistor amplifica la señal nuevamente, lo que resulta en una ganancia de corriente muy alta. Una de las principales características de Transistores Darlington Es su alta ganancia actual en comparación con los transistores bipolares individuales.

Además de su elevado aumento de corriente y tensión.Las capacidades de conmutación, otra ventaja de un "interruptor de transistor Darlington" se encuentran en sus altas velocidades de conmutación, lo que las hace ideales para su uso en circuitos de inversores, circuitos de iluminación y aplicaciones de control de motores de pasos o motores de pasos.

Una diferencia a considerar cuando se usan transistores Darlington sobre los tipos bipolares simples convencionales cuando se usa el transistor como un interruptor es que la tensión de entrada del Emisor Básico (VSER ) debe ser mayor a aproximadamente 1.4v para dispositivos de silicio, debido a la conexión en serie de las dos uniones PN.

Transistor como resumen de un interruptor

Luego, para resumir al usar un El transistor como interruptor Se aplican las siguientes condiciones:

  • Los interruptores de transistores se pueden utilizar para conmutar y controlar lámparas, relés o incluso motores.
  • Cuando se utiliza el transistor bipolar como un interruptor, deben estar "totalmente APAGADOS" o "completamente ENCENDIDOS".
  • Se dice que los transistores que están totalmente "encendidos" están en su Saturación región.
  • Se dice que los transistores que están completamente "apagados" están en sus Cortar región.
  • Cuando se usa el transistor como interruptor, una pequeña corriente de base controla una corriente de carga del colector mucho más grande.
  • Cuando se utilizan transistores para conmutar cargas inductivas, como relés y solenoides, se utiliza un "diodo de volante".
  • Cuando es necesario controlar grandes corrientes o voltajes, Transistores Darlington puede ser usado.
  • Las configuraciones del transistor Darlington se pueden hacer conectando dos transistores juntos.

En el siguiente tutorial sobre Transistores, nos fijaremos en el funcionamiento de la unión.Transistor de efecto de campo conocido comúnmente como un JFET. También trazaremos las curvas de características de salida comúnmente asociadas con los circuitos del amplificador JFET en función de la fuente de voltaje a la tensión de la puerta.

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