Cómo utilizar el transistor como interruptor

El principal dispositivo en el dominio eléctrico y electrónico es la válvula regulada, que permite que una señal débil regule la mayor cantidad de flujo, de forma similar a la boquilla que regula el flujo de agua de las bombas, tubos y otros. En una época, esta válvula regulada que se implementó en el dominio eléctrico fueron los tubos de vacío. La implementación y la utilización de los tubos de vacío eran buenas, pero la complicación de esto era grande y el consumo de una enorme potencia eléctrica que se entregaba en forma de calor que truncaba el periodo de vida del tubo. En compensación a este problema, el transistor fue el dispositivo que proporcionó una buena solución que se ajustaba a los requisitos de toda la industria eléctrica y electrónica. Este dispositivo fue inventado por "William Shockley" en el año 1947. Para hablar más, vamos a sumergirnos en el tema detallado de saber qué es un transistor, implementando el transistor como interruptory muchas características.

¿Qué es el transistor?

Un transistor es un dispositivo semiconductor de tres terminales que puede utilizarse para aplicaciones de conmutación, amplificación de señales débiles, y en cantidades de miles y millones de transistores están interconectados e incrustados en un diminuto circuito integrado/chip, que hace las memorias de los ordenadores. Un interruptor de transistor, que se utiliza para abrir o cerrar un circuito, significa que el transistor se utiliza habitualmente como interruptor en los dispositivos electrónicos sólo para las aplicaciones de baja tensión debido a su bajo consumo de energía. El transistor funciona como interruptor cuando está en las regiones de corte y saturación.

Tipos de transistores BJT

Básicamente, un transistor está formado por dos uniones PN, estas uniones se forman intercalando material semiconductor de tipo N o de tipo P entre un par de materiales semiconductores de tipo opuesto.

Los transistores de unión bipolar se clasifican en dos tipos

El transistor tiene tres terminales, a saber, Base, Emisor y Colector. El emisor es un terminal fuertemente dopado y emite los electrones a la región de la Base. El terminal de la Base está ligeramente dopado y pasa los electrones inyectados por el emisor al colector. El terminal del colector está dopado de forma intermedia y recoge los electrones de la Base.

Un transistor de tipo NPN es la composición de dos materiales semiconductores dopados de tipo N entre una capa semiconductora dopada de tipo P, como se ha indicado anteriormente. Del mismo modo, un transistor de tipo PNP es la composición de dos materiales semiconductores dopados de tipo P entre una capa semiconductora dopada de tipo N, como se ha mostrado anteriormente. El funcionamiento de los transistores NPN y PNP es el mismo, pero difieren en cuanto a su polarización y a la polaridad de la alimentación.

El transistor como interruptor

Si el circuito utiliza el transistor BJT como conmutador, la polarización del transistor, ya sea NPN o PNP, se dispone para hacer funcionar el transistor a ambos lados de las curvas de características I-V que se muestran a continuación. Un transistor puede funcionar en tres modos, región activa, región de saturación y región de corte. En la región activa, el transistor funciona como un amplificador. Como transistor conmutador, funciona en dos regiones, que son Región de saturación (totalmente activado) y el Región de corte (totalmente apagada). El diagrama del circuito del transistor como interruptor es

Ambos tipos de transistores, NPN y PNP, pueden funcionar como conmutadores. Algunas aplicaciones utilizan un transistor de potencia como herramienta de conmutación. En este caso, puede que no sea necesario utilizar otro transistor de señal para accionar este transistor.

Modos de funcionamiento de los transistores

Podemos observar en las características anteriores, que la zona sombreada de color rosa en la parte inferior de las curvas representa la región de corte y la zona azul de la izquierda representa la región de saturación del transistor. estas regiones del transistor se definen como

Región de corte

Las condiciones de funcionamiento del transistor son: corriente de base de entrada nula (IB=0), corriente de colector de salida nula (Ic=0) y tensión de colector máxima (VCE), lo que da lugar a una gran capa de agotamiento y a que no fluya corriente por el dispositivo.

Por lo tanto, el transistor se conmuta a "Totalmente apagado". Por tanto, podemos definir la región de corte cuando se utiliza un transistor bipolar como interruptor, ya que si las uniones de los transistores NPN están en polarización inversa, VB< 0,7v e Ic=0. Del mismo modo, para los transistores PNP, el potencial del emisor debe ser -ve con respecto a la base del transistor.

Entonces podemos definir la "región de corte" o "modo OFF" cuando se utiliza un transistor bipolar como interruptor, como si ambas uniones estuvieran en polarización inversa, IC = 0, y VB < 0,7v. En el caso de un transistor PNP, el potencial del emisor debe ser -ve con respecto al terminal de la base.

Características de la región de corte

Las características de la región de corte son

• Tanto la base como los terminales de entrada están conectados a tierra, lo que significa que a '0'v
• El nivel de tensión en la unión base-emisor es inferior a 0,7v
• La unión base-emisor está en condiciones de polarización inversa
• Aquí, el transistor funciona como un interruptor ABIERTO
• Cuando el transistor está completamente APAGADO, pasa a la región de corte
• La unión base-colector está en condiciones de polarización inversa
• No habrá flujo de corriente en el terminal del colector, lo que significa que Ic = 0
• El valor de la tensión en la unión emisor-colector y en los terminales de salida es "1

Región de saturación

En esta región, el transistor estará polarizado de forma que se aplique la máxima cantidad de corriente de base(IB), lo que dará lugar a la máxima corriente de colector(IC=VCC/RL) y, a continuación, a la mínima caída de tensión colector-emisor(VCE ~ 0). En esta condición, la capa de agotamiento se hace tan pequeña como sea posible y la corriente máxima fluye a través del transistor. Por lo tanto, el transistor se conecta "completamente".

La definición de "región de saturación" o "modo ON" cuando se utiliza un transistor NPN bipolar como interruptor es que ambas uniones están polarizadas hacia delante, IC = Máximo y VB > 0,7v. En el caso de un transistor PNP, el potencial del emisor debe ser +ve con respecto a la base. Este es el funcionamiento del transistor como interruptor.

Características de la región de saturación

El características de saturación son:

• Tanto la base como los terminales de entrada están conectados a Vcc = 5v
• El nivel de tensión en la unión base-emisor es superior a 0,7v
• La unión base-emisor está en condiciones de polarización hacia delante
• Aquí, el transistor funciona como un interruptor CERRADO
• Cuando el transistor está completamente APAGADO, pasa a la región de saturación
• La unión base-colector está en condiciones de polarización hacia delante
• El flujo de corriente en el terminal del colector es Ic = (Vcc/RL)
• El valor de la tensión en la unión emisor-colector y en los terminales de salida es "0
• Cuando la tensión en la unión colector-emisor es "0", significa que se trata de una condición de saturación ideal

Además, el funcionamiento del transistor como interruptor puede explicarse en detalle como se indica a continuación:

El transistor como interruptor - NPN

Dependiendo del valor de la tensión aplicada en el borde de la base del transistor, se produce la función de conmutación. Cuando hay una buena cantidad de tensión, que es de ~0,7 V, entre los bordes emisor y base, el flujo de tensión en el borde colector-emisor es cero. Por tanto, el transistor en esta condición funciona como un interruptor y la corriente que fluye por el colector se considera la corriente del transistor.

Del mismo modo, cuando no hay tensión aplicada en el terminal de entrada, el transistor funciona en la región de corte y funciona como un circuito abierto. En este método de conmutación, la carga conectada está en contacto con el punto de conmutación, que actúa como punto de referencia. Así, cuando el transistor pasa a la condición de "ON", habrá un flujo de corriente desde el terminal de la fuente a la tierra a través de la carga.

Para tener claro este método de conmutación, consideremos un ejemplo.

Supongamos que un transistor tiene un valor de resistencia en la base de 50kOhm, la resistencia en el borde del colector es de 0,7kOhm y la tensión aplicada es de 5V y considera el valor beta como 150. En el borde de la base se aplica una señal que varía entre 0 y 5V. Esto corresponde a que la salida del colector se observa modificando los valores de la tensión de entrada que son 0 y 5V. Considera el siguiente diagrama.

Cuando V_CE = 0, entonces I_C= V_CC/R_C

IC = 5/0,7

Entonces, la corriente en el terminal del colector es de 7,1mA

Como el valor de beta es 150, entonces Ib = Ic/β

Ib = 7,1/150 = 47,3 µA

Por tanto, la corriente de la base es de 47,3 µA

Con los valores anteriores, el valor más alto de la corriente en el terminal de colector es de 7,1 mA en la condición de tensión de colector a emisor es cero y el valor de la corriente de base es de 47,3 µA. Por lo tanto, se ha demostrado que cuando el valor de la corriente en el borde de la base aumenta por encima de 47,3 µA, el transistor NPN entra en la región de saturación.

Supongamos que un transistor tiene una tensión de entrada de 0 V. Esto significa que la corriente de la base es "0" y cuando la unión del emisor está conectada a tierra, entonces la unión del emisor y la base no estarán en condición de polarización de avance. Por tanto, el transistor está en modo OFF y el valor de la tensión en el borde del colector es de 5V.

Vc= Vcc - (IcRc)

= 5-0

Vc = 5V

Supongamos que un transistor tiene una tensión de entrada de 5V. Aquí, el valor de la corriente en el borde de la base puede conocerse utilizando el principio de tensión de Kirchhoff.

Ib = (Vi - Vbe)/Rb

Cuando se considera un transistor de silicio, éste tiene Vbe = 0,7V

Por tanto, Ib = (5-0,7)/50

Ib = 56,8µA

Así, se demostró que cuando el valor de la corriente en el borde de la base aumenta por encima de 56,8 µA, el transistor NPN entra en una región de saturación en condiciones de entrada de 5V.

El transistor como interruptor - PNP

La funcionalidad de conmutación de los transistores PNP y NPN es similar, pero la variación es que en el transistor PNP el flujo de corriente procede del terminal de la base. Esta configuración de conmutación se emplea para las conexiones negativas a tierra. Aquí, el borde de la base tiene una conexión de polarización negativa en correspondencia con el borde del emisor. Cuando la tensión en el terminal de la base es más -ve, entonces habrá un flujo de corriente de base. Para que quede claro, cuando existe una tensión de válvulas muy mínima o -ve, entonces esto hace que el transistor esté en cortocircuito, si no en circuito abierto, o bien en alta impedancia.

En este tipo de conexión, la carga está en conexión con la salida de conmutación junto con un punto de referencia. Cuando el transistor PNP está en estado ON, habrá un flujo de corriente de la fuente a la carga y luego a tierra a través de un transistor.

Al igual que el funcionamiento de conmutación del transistor NPN, la entrada del transistor PNP también está en el borde de la base, mientras que el terminal emisor está conectado a una tensión fija y el terminal colector está conectado a tierra a través de una carga. La siguiente imagen explica el circuito.

Aquí el terminal de la base está siempre en una condición de polarización negativa en correspondencia con el borde del emisor y la base está conectada en el lado negativo y el emisor en el lado positivo de la tensión de entrada. Esto significa que la tensión de la base al emisor es negativa y la tensión del emisor al colector es positiva. Por tanto, habrá conductividad del transistor cuando la tensión del emisor tenga un nivel más positivo que la de los terminales de la base y el colector. Por tanto, la tensión en la base debe ser más negativa que la de los otros terminales.

Para conocer el valor de las corrientes de colector y de base, necesitamos las siguientes expresiones.

Ic = Ie - Ib

Ic = β. Ib

Donde Ub = Ic/β

Para aclarar este método de conmutación, consideremos un ejemplo.

Supongamos que el circuito de carga necesita 120 mA y el valor beta del transistor es 120. Entonces el valor de la corriente que se necesita para que el transistor esté en modo de saturación es

Ib = Ic/β

= 120 mAmps/100

Ib = 1 mAmp

Por lo tanto, cuando hay una corriente de base de 1 mAmp, el transistor está completamente en estado ON. Mientras que en la práctica, se necesita aproximadamente un 30-40 por ciento de corriente más para que el transistor se sature correctamente. Esto significa que la corriente de base necesaria para el dispositivo es de 1,3 mAmps.

Funcionamiento de conmutación del transistor Darlington

En algunos casos, la ganancia de corriente directa en el dispositivo BJT es muy mínima para la conmutación directa de la tensión o corriente de carga. Por ello, se utilizan transistores de conmutación. En este caso, se incluye un pequeño dispositivo transistor para el encendido y apagado de un interruptor y un valor aumentado de corriente para regular el transistor de salida.

Para mejorar la ganancia de la señal, se conectan dos transistores en forma de "configuración de ganancia complementaria". En esta configuración, el factor de amplificación es el resultado del producto de dos transistores.

Los transistores Darlington suelen incluir dos tipos de transistores bipolares PNP y NPN, que se conectan de forma que el valor de ganancia del transistor inicial se multiplica con el valor de ganancia del segundo dispositivo transistor.

Esto produce el resultado de que el dispositivo funciona como un único transistor que tiene la máxima ganancia de corriente incluso para un valor mínimo de corriente de base. La ganancia de corriente total del dispositivo de conmutación Darlington es el producto de los valores de ganancia de corriente de los transistores PNP y NPN y se representa como

β = β1 × β2

Con los puntos anteriores, los transistores Darlington con valores máximos de β y corriente de colector están potencialmente relacionados con la conmutación de un solo transistor.

Por ejemplo, cuando el transistor de entrada tiene un valor de ganancia de corriente de 100 y el segundo tiene un valor de ganancia de 50, entonces la ganancia de corriente total es

β = 100 × 50 = 5000

Así, cuando la corriente de carga es de 200 mA, el valor de la corriente en el transistor Darlington en el terminal de la base es de 200 mA/5000 = 40 µAmps, lo que supone una gran disminución si se compara con el pasado 1 mAmp para un solo dispositivo.

Configuraciones Darlington

Existen principalmente dos tipos de configuración en el transistor Darlington y son

La configuración de conmutación del transistor Darlington demuestra que los terminales de colector de los dos dispositivos están conectados con el terminal de emisor del transistor inicial que tiene una conexión con el borde de la base del segundo dispositivo transistor. Así, el valor de la corriente en el terminal emisor del primer transistor se formará como la corriente de entrada del segundo transistor, lo que hace que esté en condición de Encendido.

El transistor de entrada, que es el primero, recibe la señal de entrada en el terminal de la base. El transistor de entrada se amplifica de forma general y se utiliza para accionar los siguientes transistores de salida. El segundo dispositivo amplifica la señal y esto da lugar a un valor máximo de ganancia de corriente. Una de las características cruciales del transistor Darlington es su máxima ganancia de corriente en relación con el dispositivo BJT simple.

Además de la capacidad de las características máximas de conmutación de tensión y corriente, la otra ventaja añadida es su máxima velocidad de conmutación. Esta operación de conmutación permite que el dispositivo se utilice específicamente para circuitos inversores, motores de corriente continua, circuitos de iluminación y regulación de motores paso a paso.

La variación que hay que tener en cuenta al utilizar los transistores Darlington en comparación con los tipos BJT simples convencionales cuando se implementa el transistor como interruptor es que la tensión de entrada en la unión de base y emisor debe ser mayor, lo que supone casi 1,4v para el tipo de dispositivo de silicio, ya que se trata de una conexión en serie de las dos uniones PN.

Algunas de las aplicaciones prácticas más comunes del transistor como interruptor

En un transistor, a menos que fluya una corriente en el circuito de la base, no puede fluir corriente en el circuito del colector. Esta propiedad permite utilizar un transistor como interruptor. El transistor se puede conectar o desconectar cambiando la base. Hay algunas aplicaciones de los circuitos de conmutación operados por transistores. Aquí he considerado el transistor NPN para explicar algunas aplicaciones que utilizan transistores de conmutación.

Interruptor accionado por luz

El circuito está diseñado utilizando un transistor como interruptor, para encender la bombilla en un entorno luminoso y apagarla en la oscuridad, y una resistencia dependiente de la luz (LDR) en el divisor de potencial. Cuando el entorno se oscurece, la resistencia de la LDR se vuelve alta. Entonces el transistor se apaga. Cuando la LDR se expone a la luz brillante, su resistencia cae a un valor menor, lo que da lugar a una mayor tensión de alimentación y aumenta la corriente de base del transistor. Ahora el transistor se pone en ON, la corriente de colector fluye y la bombilla se enciende.

Interruptor accionado por calor

Un componente importante en el circuito de un interruptor accionado por calor es el termistor. El termistor es un tipo de resistencia que responde en función de la temperatura circundante. Su resistencia aumenta cuando la temperatura es baja y viceversa. Cuando se aplica calor al termistor, su resistencia disminuye y la corriente de la base aumenta, seguida de un mayor aumento de la corriente del colector y la sirena sonará. Este circuito en particular es adecuado como sistema de alarma contra incendios.

Control del motor de CC (conductor) en caso de tensiones elevadas

Considera que no se aplica ninguna tensión al transistor, entonces el transistor se pone en OFF y no fluye ninguna corriente a través de él. Por tanto, el relé permanece en estado OFF. La alimentación del motor de corriente continua se realiza desde el terminal Normalmente Cerrado (NC) del relé, por lo que el motor girará cuando el relé esté en estado OFF. La aplicación de alta tensión en la base del transistor BC548 hace que el transistor se ponga en ON y la bobina del relé se active.

Ejemplo práctico

Aquí vamos a conocer el valor de la corriente de base que se requiere para que un transistor se ponga completamente en condición de ON cuando la carga necesita una corriente de 200mA cuando el valor de la entrada se eleva a 5v. También hay que conocer el valor de Rb.

El valor de la corriente de base del transistor es

Ib = Ic/β considerando β = 200

Ib = 200mA/200 = 1mA

El valor de la resistencia de base del transistor es Rb = (Vin - Vbe)/Ib

Rb = (5 - 0,7)/1 × 10^-3

Rb = 4,3kΩ

Los conmutadores de transistores se emplean ampliamente en múltiples aplicaciones, como la conexión de equipos de gran corriente o alto valor de tensión, como motores, relés o luces, al valor mínimo de tensión, circuitos integrados digitales o se utilizan en puertas lógicas como las puertas AND u OR. Además, cuando la salida de la puerta lógica es de +5v, mientras que el dispositivo que hay que regular puede necesitar 12v o incluso 24v de tensión de alimentación.

O la carga, como el motor de corriente continua, puede necesitar que se controle su velocidad mediante unos impulsos continuos. Los interruptores de transistores permiten que esta operación sea más rápida y sencilla que la de los interruptores mecánicos tradicionales.

¿Por qué utilizar un transistor en lugar de un interruptor?

Al implementar un transistor en lugar de un interruptor, incluso una cantidad mínima de corriente de base regula una mayor corriente de carga en el terminal de colector. Utilizando transistores en el lugar del interruptor, estos dispositivos se apoyan en relés y solenoides. Mientras que en el caso de que haya que regular niveles más altos de corrientes o tensiones, se utilizan transistores Darlington.

En general, a modo de resumen, algunas de las condiciones que se aplican al operar el transistor como interruptor son

• Al utilizar el BJT como interruptor, debe funcionar en condiciones de ON incompleto o de ON completo.
• Al utilizar un transistor como interruptor, un valor mínimo de la corriente de base regula el aumento de la corriente de carga del colector.
• Al implementar transistores para conmutar como relés y solenoides, es mejor utilizar diodos de volante.
• Para regular valores más grandes, ya sea de tensión o de corriente, los transistores Darlington son los que mejor funcionan.

Y, este artículo ha proporcionado información completa y clara sobre el transistor, las regiones de funcionamiento, el funcionamiento como interruptor, las características, las aplicaciones prácticas. El otro tema crucial y relacionado que hay que conocer es qué es interruptor de transistor de lógica digital y su funcionamiento, ¿diagrama del circuito?