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4.7: Conmutación BJT y aplicaciones de controladores

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    Como se mencionó, la variación en\(\beta\) puede provocar cambios en la corriente del colector. Esto puede causar problemas de rendimiento. Por ejemplo, al conducir un LED, esto puede provocar varianza en el brillo. Pero, ¿y si a propósito ponemos el transistor en saturación? La saturación es un valor fijo. Es inherentemente estable y ya\(\beta\) no importa. Efectivamente, cuando un BJT se satura,\(\beta\) se ve obligado a caer a cualquier valor que se necesite para producir\(I_{C(sat)}\). Solo tenemos que asegurarnos de que hasta el más pequeño\(\beta\) sea lo suficientemente grande como para causar saturación.

    4.7.1: El Interruptor de Saturación

    Un buen ejemplo de esto es el circuito controlador LED saturante que se muestra en la Figura\(\PageIndex{1}\). Para empezar, el objetivo del controlador es descargar la demanda de corriente del circuito anterior. Por ejemplo, es posible que deseemos encender un LED desde la salida de una puerta lógica o un chip microcontrolador. El problema es que esos circuitos podrían solo ser capaces de entregar, digamos, 5 mA cuando podríamos necesitar más de 10 mA para lograr el brillo deseado. El circuito del controlador LED se utiliza para superar esta limitación.

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    Figura\(\PageIndex{1}\): Circuito controlador LED de saturación (lógica positiva). Nota: El terminal negativo de VCC está conectado a tierra (no se muestra).

    Con el controlador, el circuito lógico solo necesitará suministrar corriente base, no corriente LED. Así es como funciona: Si el voltaje de entrada lógico es cero, no habrá corriente base. Esto significa que no habrá corriente de colector y por lo tanto el LED estará apagado. En este punto el BJT está en corte. Por el contrario, cuando el nivel lógico va alto, todo el voltaje lógico cae a través\(R_B\), con la excepción de\(V_{BE}\). Esto crea\(I_B\). Si se diseña adecuadamente, esta corriente será suficiente para poner el BJT en saturación. El BJT actúa como un interruptor, completando el circuito entre la fuente de CC, el LED y la resistencia limitadora de corriente,\(R_C\). Para que esto funcione de manera confiable, tenemos que asegurarnos de que la relación entre la corriente de saturación y la corriente base sea mucho menor que\(\beta\). Un valor de aproximadamente 10 garantizaría una saturación dura.

    Si quisiéramos invertir la lógica, es decir, tener una lógica baja encender el LED y una lógica alta apagarlo, podemos lograr eso con una versión PNP del circuito como se muestra en la Figura\(\PageIndex{2}\).

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    Figura\(\PageIndex{2}\): Circuito controlador LED de saturación (lógica negativa).

    Ejemplo\(\PageIndex{1}\)

    Determine la corriente LED “encendida” para el circuito de la Figura\(\PageIndex{3}\). Supongamos que el voltaje lógico “on” es de 5 voltios,\(V_{LED} = 1.8\) voltios y\(V_{CE(sat)} = 0\).

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    Figura\(\PageIndex{3}\): Circuito por Ejemplo\(\PageIndex{1}\).

    Primero, encuentra la corriente base.

    \[I_B = \frac{V_{logic} −V_{BE}}{R_B} \nonumber \]

    \[I_B = \frac{5 V −0.7 V}{4.7 k\Omega} \nonumber \]

    \[I_B = 915 \mu A \nonumber \]

    Ahora encuentra\(I_{C(sat)}\), asegurándose de que el BJT esté en saturación. Esta será la corriente LED.

    \[I_{C(sat)} = \frac{V_{CC} −V_{LED}}{R_C} \nonumber \]

    \[I_{C(sat)} = \frac{5 V−1.8V}{330\Omega} \nonumber \]

    \[I_{C(sat)} = 9.7mA \nonumber \]

    La relación de estas dos corrientes es poco más de 10:1. Esto garantizará una saturación dura.

    Hay muchas aplicaciones diferentes para los interruptores de saturación. Casi en cualquier lugar donde puedas imaginar que se esté usando un relé, puedes considerar un interruptor de transistor. El interruptor de transistor tiene las ventajas de tamaño pequeño, sin partes móviles para desgastarse y velocidades de conmutación muy rápidas. Los relés tienen la ventaja de corrientes muy altas. La figura\(\PageIndex{4}\) muestra un ejemplo de accionamiento directo del motor usando un interruptor BJT saturante.

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    Figura\(\PageIndex{4}\): Accionamiento directo del motor de CC.

    Este circuito se utiliza para controlar la velocidad de un motor de CC a través de una técnica llamada modulación de ancho de pulso. La velocidad del motor dependerá del voltaje promedio que se le aplique. El truco aquí es que en lugar de aplicar un voltaje continuamente variable al motor, en cambio aplicamos una serie de pulsos de ancho variable. Estos pulsos son suficientes para saturar el BJT, provocando que se comporte como un interruptor. Estos pulsos son tan rápidos que el motor no arranca y se detiene, sino que la inercia lo mantiene en marcha. En cambio, el motor responde al valor promedio de estos pulsos. Si los pulsos son estrechos y espaciados ampliamente, el valor promedio será bajo y la velocidad del motor será lenta. Si los pulsos son amplios y muy poco espaciados, el promedio será alto y la velocidad del motor será rápida.

    La resistencia y el condensador en la base se utilizan para dar forma al pulso entrante para mejorar el rendimiento. El diodo a través del devanado del motor es particularmente importante. Se le conoce como un diodo de amortiguación 1. Sin él, el transistor de conmutación podría experimentar picos transitorios grandes y dañinos. He aquí por qué: Supongamos que el BJT está encendido y conduciendo a cabalidad. Esta corriente es la misma corriente que fluye a través de la armadura del motor, que es poco más que una enorme bobina de alambre. Eso significa que exhibe mucha inductancia. Cuando apagamos el transistor, estamos intentando apagar la corriente de la armadura, pero la corriente a través de un inductor no puede cambiar instantáneamente. El resultado es que el devanado ahora genera un gran voltaje de retorno (también llamado “patada inductiva”) directamente a través del BJT. Es decir, el devanado aparece momentáneamente como una fuente de alto voltaje de polaridad opuesta y, vía KVL, este potencial aparece de colector a emisor. Esto podría dañar el BJT. El diodo de amortiguación cortocircuitará efectivamente el devanado cuando invierte la polaridad del voltaje, evitando el pico grande. El resto del tiempo el diodo es polarizado inverso y efectivamente fuera del circuito.

    4.7.2: El Conductor No Saturante

    También es posible crear un interruptor o controlador que no sea saturante. Un ejemplo de un controlador LED no saturante se muestra en la Figura\(\PageIndex{5}\).

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    Figura\(\PageIndex{5}\): Circuito conductor LED no saturante (lógica positiva).

    La ventaja de este circuito es que requiere menos corriente del circuito lógico. Desafortunadamente, también exhibe mayor disipación de potencia del transistor y requiere una fuente de CC que sea más alta que el nivel lógico. El funcionamiento es el siguiente: Al igual que en el controlador de saturación, si el nivel lógico es cero, no hay aumento en el bucle base-emisor y la corriente del colector también será cero. Con un voltaje lógico alto, a través de KVL alrededor del bucle base-emisor, todo el voltaje de entrada lógico cae a través\(R_E\), con la excepción de\(V_{BE}\). Esto crea\(I_E\) lo que es prácticamente lo mismo que\(I_C\) (que es\(I_{LED}\)).

    Este circuito “programa” la corriente del emisor a través de la resistencia y el voltaje lógico. Por lo tanto es fijo y estable. Este proceso a veces se conoce como bootstrapping. Se podría decir que el voltaje del emisor es “bootstrapped” a dentro de 0.7 voltios del nivel de entrada lógica, manteniéndolo estable 2. En cualquier caso, si\(\beta\) varía, esto provocará un cambio inverso en\(I_B\) sin cambio en\(I_C\). También es posible una versión PNP de lógica negativa y se deja como ejercicio.

    Ejemplo\(\PageIndex{2}\)

    Determine la corriente LED “encendida” para el circuito de la Figura\(\PageIndex{6}\). Supongamos que el voltaje lógico “on” es de 5\(V_{LED} = 1.8\) voltios, voltios y\(\beta\) = 100.

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    Figura\(\PageIndex{6}\): Circuito por Ejemplo\(\PageIndex{2}\).

    Podemos encontrar\(I_C\) directamente porque\(I_C \approx I_E\). Esta será la corriente LED.

    \[I_C = \frac{V_{logic}−V_{BE}}{R_E} \nonumber \]

    \[I_C = \frac{5V−0.7V}{270\Omega} \nonumber \]

    \[I_C = 15.9 mA \nonumber \]

    Tenga en cuenta que\(\beta\) no se utilizó. Todo lo que nos dice es que\(I_B = 15.9\) Ma/100, o 159\( \mu \) A. Una mayor simplemente\(\beta\) conduciría a una corriente base más baja.

    En aras de la integridad, también podríamos señalar que

    \[V_{CE} = V_{CC} −V_{LED} −V_{RE} \nonumber \]

    \[V_{CE} = 10 V−1.8V−4.3 V \nonumber \]

    \[V_{CE} = 3.9V \nonumber \]

    Claramente, si\(V_{CE}\) es 3.9 voltios, el transistor no está en saturación.

    4.7.3: El Seguidor Zener

    En el capítulo anterior examinamos un método para regular el voltaje de salida de un rectificador de onda completa filtrado mediante el uso de un diodo Zener. La caída de ese circuito específico es que no fue particularmente eficiente porque dibujó una buena cantidad de corriente incluso cuando la demanda de corriente de carga era ligera. Usando el concepto de bloquear una tensión a otra, como en el interruptor no saturante, podemos crear una buena mejora, el Seguidor Zener.

    Un Seguidor Zener se muestra en la Figura\(\PageIndex{7}\). La señal de entrada es la salida positiva rectificada y filtrada de la fuente de alimentación de CA a CC.

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    Figura\(\PageIndex{7}\): Seguidor Zener.

    Lo principal a notar es que el diodo Zener tiene polarización inversa a través de una resistencia\(R\). Es decir, una corriente fluirá hacia abajo a través\(R\) y hacia el Zener. El Zener presenta un potencial fijo,\(V_Z\). En consecuencia, la diferencia entre el voltaje de entrada y\(V_Z\) debe caer a través\(R\), y por extensión,\(V_{CB}\). Además, el voltaje de salida final es el voltaje en el emisor del BJT que debe ser\(V_Z − V_{BE}\). Al ser ambos potenciales fijos y estables, la salida también debe ser una tensión fija y estable. Por último, porque\(V_{CE} = V_{CB} + V_{BE}\), es evidente que cualquier variación entre la tensión de entrada y la salida deseada (por ejemplo, debido a la ondulación) debe caer a través del BJT.

    La corriente del diodo se mantiene baja en el Seguidor Zener y por lo tanto su disipación de potencia también es modesta. Además, el consumo de corriente del circuito de entrada es una reflexión directa de la demanda de corriente de carga. Si el requisito de corriente de carga es bajo, muy poca corriente fluirá a través del transistor y, en última instancia, desde el circuito de entrada. Esto lo convierte en un sistema más eficiente.

    Referencias

    1 También se le conoce como diodo de conmutación, diodo de abrazadera, diodo de retorno y por una serie de otros nombres. Pero como dijo Shakespeare, “Un diodo de amortiguación con cualquier otro nombre también sujetaría un voltaje de retorno”. O algo así.

    2 Esto es en referencia a la vieja frase “jalándote por tus bootstraps”. Para ser sinceros, ese dicho nunca tuvo sentido para este autor y todo lo que pasó cuando intenté hacerlo fue que mis brazos se cansaron.


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