Los componentes electrónicos en su mayoría trabajan con niveles de voltaje relativamente bajos, de hecho los diseñados para el control y automatización como microcontroladores, memorias, temporizadores y muchos otros de tecnología Lógica Transistor Transistor (TTL) solo exigen 5V para operar pudiendo dañarse si se conectan a una fuente superior a este voltaje.
Por ejemplo un microcontrolador necesita recibir 5V en sus entradas para interpretarlo como un 1 lógico y sus salidas producirán 5 V para referencia a un 1 lógico o señal de activación.
Ahora supongamos que queremos controlar el encendido de una bomba de agua que trabaja con un voltaje de 110VAC y tenemos un controlador TTL, será imposible que la bomba encienda con los 5VDC que suministra la salida del controlador. Es ahí donde se requieren dispositivos de acople que puedan recibir los 5VDC del controlador y conmutar 110VAC a la bomba (para este ejemplo). Ahora veremos como un transistor BJT puede sernos útil para este propósito.
PixabaySi recordamos lo visto EL TRANSISTOR BJT: ZONAS DE TRABAJO existen 3 zonas en las que un transistor BJT puede trabajar, pero sabemos que una conmutación es el cambio de un estado a otro, solo existen dos posibles estados 0 o 1, así, para que nuestro transistor pueda trabajar conmo conmutador necesitamos evitar la ZONA ACTIVA, hacíendo que la más mínima corriente de base este pase a saturación.
Lo primero que debemos considerar es la ganancia B también conocida como hfe que es la ganancia en DC y equivale a B =Ic/Ib, cuando el transistor está en saturación tendremos que Icsat=Vcc/RC (corriente de saturación es igual a Voltaje del alimentación entre resistencia de colector.
Tambíen debemos considerar que Ib (corriente de base) es aproximadamente igual a VB/RB, por otro lado establecemos la relación Ic=B IB cuando se conoce un valor de B en la zona activa.
Para garantizar una saturación fuerte debemos hacer nuestro diseño tal que Ic/Ib= 10, es decir, nuestra ganancia sea 10, de esta forma una corriente de base se multiplicará por 10 para poner nuestro transistor en saturación.
Para dar claridad a lo expuesto presento a continuación dos circuitos con transistores, uno en saturación y otro en zona activa, luego veremos lo que ocurre en ambos casos.
En el circuito de la izquierda se cumple la condición Ic/Ib=10 y se puede observar que los puntos colecor emisor se comportan como interruptor cerrado, el voltaje de colector es muy cercano a 0V y la corriente que atraviesa el colector-emisor es la máxima posible (VCC/VC) por lo tanto el transistor está en saturación, incluso si bajamos la tensión de base a 1V el valor de Ic se mantendrá por sobre 9,9mA por lo tanto estamos obteniendo una saturación garantizada incluso para pequeñas corrientes de base.
En el circuito de la derecha el transistor está en zona activa, se puede notar que IC es menor que ICsat, y que además existe un voltaje de 11.81V en el colector, lo que significa que el transistor está en la zona activa.
Ahora veremos que ocurre en la zona de corte:
Al no existir ningun voltaje en la base tampoco existen corrientes circulando en el transistor, ahora el transistor se esta comportando como un interruptor abierto, vale la pena notar que VCC está presente en el colector.
Quedandonos con el circuito cuyo B es 10 podemos obtener facil un conmutador, pero es importante ver que la zona de corte no es necesariamente representará un 0 lógico ya que se puede usar el voltaje presente en el colector para enviar un 1.
Hasta aquí acordamos cómo configurar un transistor para que trabaje como conmutador pero el transistor en sí tampoco activará dispositivos que requieren mayor potencia, sin embargo podemos recordar el artículo que escribí sobre Dispositivos de accionamientos eléctricos: El relé, un relé puede ser activado con 12 o 24VDC los cuales pueden ser manejados muy facilmente por un transistor, así vamos generando una cascada para un acople seguro y aislado entre el circuito de baja potencia y el circuito de potencia.
Vamos a suponer que tenemos un circuito de control, nuestros 0/5V de base vienen de una señal de activación proveniente de un microcontrolador, tenemos un transitor BJT, un relé de 12VDC y finalmente un motor que deseamos activar.
Primero veamos cómo sería la activación cuando el transistor reciba el 1 lógico en la base, es decir, los 5VDC y la desactivación para un voltaje de base de 0V.
Cuando queremos usar la saturación para activación debemos colocar el elemento a activar en serie con el colector, como vimos, el transistor se comporta como un interruptor cerrado y de esta forma el relé se activa para cambiar el estado de sus contactos y activar el motor, cuando el voltaje de base es 0 el transistor se comporta como un interruptor abierto y deja de circular corriente por lo cual el relé se desactiva.
Ahora consideremos como podemos usar un 0V de base como una señal de activación.
Cuando el transistor está en la zona de corte se comporta como un interruptor abierto y no circula corriente a través de él, sin embargo pudimos notar en la imágen de referencia que el voltaje de la fuente aparece en el colector, podemo aprovecar esta circunstancia para llevar este voltaje a la base de un segundo transistor y usarlo como señal de activación, cuando el voltaje de base es 5 el voltaje de colector pasa a ser 0 desactivando el segundo transistor.
La ventaja de usar un transistor como conmutador es en primer lugar la rapidez con la que puede actuar, luego debemos tomar en cuenta que a diferencia de un relé no existe un desgaste mecánico, aunque he usado un relé como ejemplo de conmutador final estos pueden ser reemplazados por otros semiconductores de mejores prestaciones (Triacs o transistores de potencia).
Un conmutador como lo ilustrado aquí puede ser de utilidad para automatización simple o puede también ser parte de circuitos complejos con miles de transistores como lo son los integrados TTL.
De nuevo fue un gusto poder escribir para todos ustedes muy agradecido por todo el apoyo que he recibido.
Artículos relacionados.
Dispositivos de accionamientos eléctricos: El relé
Hoja de datos (DATASHEET) de Componentes
EL TRANSISTOR BJT: ZONAS DE TRABAJO
Lecturas recomendadas
- Albert Paul Malvino, Principios de electrónica, Sexta edición.
- Robert L. Boylestad, Electrónica: Teoría de Circuitos.
- Timothy J. Maloney, Electrónica Industrial, dispositivos y sistemas.