en este tutorial de Transistor, aprenderemos sobre el trabajo de un Transistor como Switch. Conmutación y amplificación son las dos áreas de aplicaciones de los transistores y Transistor como un interruptor es la base de muchos circuitos digitales.
Esquema
Introducción
Como uno de los dispositivos semiconductores, transistores ha encontrado uso en enormes aplicaciones electrónicas, tales como sistemas integrados, circuitos digitales y sistemas de control., Tanto en los dominios digitales como analógicos, los transistores se utilizan ampliamente para diferentes usos de aplicaciones, como amplificación, operaciones lógicas, conmutación, etc.
Este artículo se concentra principalmente y da una breve explicación de la aplicación de transistores como un interruptor.
El Transistor de unión Bipolar o simplemente BJT es un dispositivo semiconductor de tres capas, tres terminales y dos uniones. Casi en muchas de las aplicaciones, estos transistores se utilizan para dos funciones básicas, como la conmutación y la amplificación.,
el nombre bipolar indica que dos tipos de portadores de carga están involucrados en el funcionamiento de un BJT. Estos dos portadores de carga son agujeros y electrones donde los agujeros son portadores de carga positivos y los electrones son portadores de carga negativa.
El transistor tiene tres regiones, a saber, base, emisor y colector. El emisor es un terminal fuertemente dopado y emite electrones en la base. El terminal Base está ligeramente dopado y pasa los electrones inyectados por el emisor al colector., El terminal colector está dopado de forma intermedia y recoge electrones de la base. Este colector es grande en comparación con otras dos regiones por lo que disipa más calor.
Los BJT son de dos tipos NPN y PNP, ambos funcionan igual pero difieren en términos de polarización y polaridad de la fuente de alimentación. En el transistor PNP, entre dos materiales de tipo P, el material de tipo n se intercala, mientras que en el caso del transistor NPN, el material de tipo P se intercala entre dos materiales de tipo N. Estos dos transistores se pueden configurar en diferentes tipos como emisor común, colector común y configuraciones de base común.,
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los modos de funcionamiento de los transistores
depende de las condiciones de sesgo como avance o retroceso, los transistores tienen tres modos principales de operación, a saber, las regiones de corte, activa y saturación.
modo activo
en este modo el transistor se utiliza generalmente como amplificador de corriente. En modo activo, dos uniones están sesgadas de manera diferente, lo que significa que la Unión emisor-base está sesgada hacia adelante, mientras que la Unión colector-base está sesgada hacia atrás., En este modo, los flujos de corriente entre el emisor y el colector y la cantidad de flujo de corriente es proporcional a la corriente base.
Modo de Corte
En este modo, tanto el colector de base de la unión emisor y base de unión son polarización inversa. Esto a su vez no permite que la corriente fluya del colector al emisor cuando el voltaje de Base-Emisor es bajo. En este modo, el dispositivo está completamente apagado, ya que el resultado es que la corriente que fluye a través del dispositivo es cero.,
modo de saturación
en este modo de operación, tanto la base del emisor como las uniones de la base del colector están sesgadas hacia adelante. La corriente fluye libremente del colector al emisor cuando el voltaje del emisor base es alto. En este modo el dispositivo está completamente encendido.
la siguiente figura muestra las características de salida de un Transistor BJT. En la siguiente figura, la región de corte tiene las condiciones de funcionamiento como corriente de salida del colector cero, corriente de entrada de base cero y voltaje máximo del colector., Estos parámetros causan una gran capa de agotamiento que además no permite que la corriente fluya a través del transistor. Por lo tanto, el transistor está completamente en estado apagado.
de manera similar, en la región de saturación, un transistor está sesgado de tal manera que se aplica la corriente base máxima que resulta en la corriente máxima del colector y el voltaje mínimo del colector-emisor. Esto hace que la capa de agotamiento se vuelva pequeña y permita el flujo máximo de corriente a través del transistor. Por lo tanto, el transistor está completamente en condiciones.,
Por lo tanto, de la discusión anterior, podemos decir que los transistores se pueden hacer para trabajar como interruptor de estado sólido de encendido/apagado operando transistor en regiones de corte y saturación. Este tipo de aplicación de conmutación se utiliza para controlar motores, cargas de lámparas, solenoides, etc.
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Transistor como interruptor
un transistor se utiliza para la operación de conmutación para abrir o cerrar un circuito. Este tipo de conmutación de estado sólido ofrece una fiabilidad significativa y un menor costo en comparación con los relés convencionales.,
Los transistores NPN y PNP se pueden utilizar como interruptores. Algunas de las aplicaciones utilizan un transistor de potencia como dispositivo de conmutación, en ese momento puede ser necesario utilizar otro transistor de nivel de señal para conducir el transistor de alta potencia.
Transistor NPN como un interruptor
basado en el voltaje aplicado en el terminal base de una operación de conmutación de transistor se realiza. Cuando se aplica un voltaje suficiente (Vin > 0.7 V) entre la base y el emisor, el voltaje del colector al emisor es aproximadamente igual a 0. Por lo tanto, el transistor actúa como un cortocircuito., La corriente del colector Vcc / Rc fluye a través del transistor.
de manera similar, cuando no se aplica voltaje o voltaje cero en la entrada, el transistor opera en la región de corte y actúa como un circuito abierto. En este tipo de conexión de conmutación, la carga (aquí la lámpara LED) se conecta a la salida de conmutación con un punto de referencia. Por lo tanto, cuando el transistor está encendido, la corriente fluirá de la fuente a tierra a través de la carga.,
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ejemplo de Transistor NPN como interruptor
considere el siguiente ejemplo donde la resistencia base Rb = 50 k ohm, la resistencia del colector Rc = 0.7 k ohm, Vcc es 5V y el valor beta es 125. En la entrada base se da una señal que varía entre 0 y 5V, por lo que vamos a ver la salida en el colector variando el Vi en dos estados que es 0 y 5V como se muestra en la figura.
Ic = Vcc/Rc cuando VCE = 0
Ic = 5V/0.,7K ohm
Ic = 7.1 mA
corriente base Ib = Ic / β
Ib = 7.1 mA/125
IB = 56.8 µA
de los cálculos anteriores, el valor máximo o máximo de la corriente del colector en el circuito es 7.1 ma cuando VCE es igual a cero. Y la corriente base correspondiente a la que fluye la corriente del colector es 56.8 µA. Por lo tanto, está claro que cuando la corriente base se incrementa más allá del micro amperio 56.8 entonces el transistor entra en el modo de saturación.,
considere el caso cuando se aplica cero voltios en la entrada. Esto causa la corriente de base cero y como el emisor está conectado a tierra, la Unión de la base del emisor no está sesgada hacia adelante. Por lo tanto, el transistor está en condición OFF y el voltaje de salida del colector es igual a 5V.
cuando Vi = 0V, Ib = 0 e Ic =0,
Vc = Vcc – (CICR)
= 5V – 0
= 5V
considere que el voltaje de entrada aplicado es de 5 voltios, entonces la corriente base se puede determinar aplicando la ley de voltaje de Kirchhoff.,
When Vi = 5v
Ib = (Vi – Vbe) / Rb
For silicon transistor VBE = 0.7 V
por lo tanto, IB = (5V – 0.7 V)/ 50k ohm
= 86 µA que es mayor que 56.8 µA
por lo tanto, la corriente base es mayor que la corriente de micro amperios 56.8, el transistor se conducirá a la saturación que está completamente encendida cuando se aplica 5v en la entrada. Por lo tanto, la salida en el colector se convierte en aproximadamente cero.,
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PNP Transistor as a Switch
PNP transistor funciona igual que NPN para una operación de conmutación, pero la corriente fluye desde la base. Este tipo de conmutación se utiliza para configuraciones de tierra negativas. Para el transistor PNP, el terminal base siempre está sesgado negativamente con respecto al emisor. En esta conmutación, la corriente de base fluye cuando la tensión de base es más negativa. Simplemente un bajo voltaje o voltaje más negativo hace que el transistor provoque un cortocircuito, de lo contrario, será un estado de circuito abierto o alta impedancia.,
en esta conexión, la carga se conecta a la salida de conmutación del transistor con un punto de referencia. Cuando el transistor está encendido, la corriente fluye desde la fuente a través del transistor a la carga y finalmente al suelo.
ejemplo de transistor PNP como un interruptor
Similar al circuito de interruptor de transistor NPN, la entrada del circuito PNP también es base, pero el emisor está conectado a voltaje constante y el colector está conectado a tierra a través de la carga como se muestra en la figura.,
en esta configuración, la base siempre está sesgada negativamente con respecto al emisor al conectar la base en el lado negativo y el emisor en el lado positivo de la fuente de entrada. Por lo tanto, el voltaje VBE es negativo y el voltaje de suministro del emisor con respecto al colector es positivo ( VCE positivo).
Por lo tanto, para la conducción del emisor de transistores debe ser más positivo con respecto tanto al colector como a la base. En otras palabras, la base debe ser más negativa con respecto al emisor.,
para calcular las corrientes base y colector se utilizan las siguientes expresiones.
Ic = Ie – Ib
Ic = β. Ib
Ib = Ic / β
considere el ejemplo anterior, que la carga requiere corriente de 100 Mili amperios y el transistor tiene el valor beta de 100., Entonces la corriente requerida para la saturación del transistor es
corriente base mínima = corriente de colector / β
= 100 mA / 100
= 1ma
por lo tanto, cuando la corriente base es el transistor estará completamente encendido. Pero se requiere prácticamente el 30 por ciento de más corriente para garantizar la saturación del transistor. Por lo tanto, en este ejemplo la corriente Base requerida es 1.3 mA.,
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ejemplos prácticos comunes de Transistor como un interruptor
Transistor para cambiar el LED
como se mencionó anteriormente, el transistor se puede usar como un interruptor. El siguiente esquema muestra cómo se utiliza un transistor para cambiar el diodo emisor de luz (LED).
- Cuando el interruptor en el terminal base está abierto, ninguna corriente fluye a través de la base por lo que el transistor está en el estado de corte. Por lo tanto, el circuito actúa como circuito abierto y el LED se apaga.,
- Cuando el interruptor está cerrado, la corriente base comienza a fluir a través del transistor y luego conduce a los resultados de saturación para que el LED se encienda.
- Las resistencias se colocan para limitar las corrientes a través de la base y el LED. También es posible variar la intensidad del LED variando la resistencia en la trayectoria de la corriente de base.
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Transistor para operar el relé
también es posible controlar el funcionamiento del relé utilizando un transistor., Con una pequeña disposición de circuito de un transistor capaz de energizar la bobina del relé para que se controle la carga externa conectada a él.
- considere el siguiente circuito para conocer el funcionamiento de un transistor para energizar la bobina del relé. La entrada aplicada en la base hace conducir el transistor a la región de saturación, lo que resulta en que el circuito se convierte en cortocircuito. Por lo tanto, la bobina de relé se energiza y los contactos de relé se operan.,
- en las cargas inductivas, particularmente la conmutación de motores e inductores, la eliminación repentina de la potencia puede mantener un alto potencial a través de la bobina. Este alto voltaje puede causar daños considerables al circuito de descanso. Por lo tanto, tenemos que utilizar el diodo en paralelo con la carga inductiva para proteger el circuito de tensiones inducidas de la carga inductiva.,
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Transistor para conducir el Motor
- un transistor también se puede usar para conducir y regular la velocidad del motor de CC de una manera unidireccional cambiando el transistor se muestra en la siguiente figura.
- Como se mencionó anteriormente, el motor de CC también es una carga inductiva, por lo que tenemos que colocar un diodo de rueda libre a través de él para proteger el circuito.
- Al cambiar el transistor en las regiones de corte y saturación, podemos encender y apagar el motor repetidamente.,
- también es posible regular la velocidad del motor desde la parada hasta la velocidad máxima cambiando el transistor a frecuencias variables. Podemos obtener la frecuencia de conmutación desde el dispositivo de control o IC como microcontrolador.
