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www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Tecnología Temario específico – Tema 60 1/16 TEMA 60 CIRCUITOS DE CONMUTACION MEDIANTE TRANSISTORES. APLICACIONES CARACTERISTICAS. Indice: 1. INTRODUCCION.......................................................................................................2 2. EL TRANSISTOR BIPOLAR EN CONMUTACIÓN..............................................2 3. MULTIVIBRADORES:...............................................................................................4 3.1 Multivibrador astable. ..........................................................................................4 3.2 Multivibrador Monoestable. ................................................................................6 3.3 Multivibrador biestable. .......................................................................................7 3.4 Circuito disparador Schmitt. ...............................................................................8 3.5. Circuito diente de sierra.....................................................................................9 4. TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO: .....................................................10 4.1 Transistores FET................................................................................................10 4.2 Transistores MOSFET.......................................................................................12 5. CIRCUITO INTEGRADO 555 ................................................................................13 5.1 Funcionamiento como monoestable...............................................................14 5.2 Funcionamiento como astable.........................................................................16 www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Tecnología Temario específico – Tema 60 2/16 1. INTRODUCCION. En los circuitos a transistores estudiados con anterioridad, siempre se ha tratado de mantener al transistor en la región activa o región lineal, en la cual siempre se cumpla que Ic = β · Ib, de forma que podíamos amplificar señales. Para ello manteníamos polarizadas las uniones base-emisor y base- colector convenientemente, es decir, directamente la primera e inversamente la segunda: así asegurábamos el trabajo en región activa. En la conmutación trataremos de utilizar el transistor de una forma nueva: ahora no se tratará de amplificar, sino de utilizar al transistor como si de un interruptor se tratara. Para ello usaremos la zona hasta ahora evitada en el transistor: el trabajo en saturación. 2. EL TRANSISTOR BIPOLAR EN CONMUTACIÓN. Recordemos una característica básica del transistor en saturación: Vce sat = 0,2 V. Es decir, cuando un transistor está en saturación, la tensión existente entre su colector y su emisor se hace prácticamente cero. Esto se utiliza porque, sencillamente, una tensión de cero voltios entre dos puntos equivale a un interruptor cerrado entre dichos puntos. Por tanto, un transistor que se ha puesto en saturación equivale (respecto a cualquier carga conectada entre su colector y su emisor) a un interruptor que se acaba de cerrar entre dichos puntos. Veamos esta idea con más detalle: - Transistor en CORTE: para ello basta como sabemos con que Vbe sea, no ya negativa, sino que basta con que sea menor de 0,7 voltios (para un transistor npn). El transistor entonces sencillamente no conduce la electricidad y cualquier carga conectada de forma que dependa de que conduzca el transistor para recibir o no ella misma corriente, observa al transistor como un interruptor abierto. - Transistor en SATURACIÓN: al estar ahora en conducción el transistor, y haber una tensión de casi 0 voltios entre su colector y emisor: el transistor aparece ahora como un interruptor cerrado entre dichos puntos: Veamos el siguiente circuito de ejemplo de utilización del transistor en conmutación, es decir, de paso desde saturación a corte y viceversa según nos interese, de forma que lo utilicemos como si de un interruptor se tratara: www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Tecnología Temario específico – Tema 60 3/16 Veamos su funcionamiento: 1º . Ante una señal cero en la base (Vi a nivel cero) el transistor está en corte, por lo que no circula intensidad de colector alguna, de forma que Vo está a tensión igual a Vcc (ya que en Rc no hay ninguna tensión, al no haber intensidad). 2º . Ante una señal a nivel alto en la base (Vi = Vbb), el transistor estará en saturación, de forma que la tensión Vo será igual a la tensión Vce del transistor, que como sabemos en saturación es prácticamente cero. Por tanto una carga conectada a Vo recibirá tensión o no según esté el transistor en saturación o en corte. Es decir, el transistor será como una especie de interruptor (gobernado desde Vi) para la carga. El anterior circuito es tan sólo un sencillo ejemplo. Más adelante veremos otros circuitos más sofisticados (multivibradores por ejemplo) donde también se hace trabajar al transistor en conmutación. Para asegurarnos de que efectivamente el transistor está, al conducir, en saturación y no en región activa debemos asegurarnos de que Vbb produzca una Ib que sea mayor que la “Ib mínima de saturación”. Si recordamos la recta de carga, la zona de saturación era la zona superior de la misma, en la que la Icmáxima (punto de corte con el eje vertical) valía: C CC Cmax R V I = o ReR V I C CC Cmax + = si existe una Re. Logicamente: min Icmax Ibmin(sat) β = (dada por el fabricante). Cuando el transistor entra en saturación su corriente de colector permanece prácticamente invariable (igual o cercana Icmáx) y no es ensible a los cambios de la corriente de base. Saturación suave significa que el transistor debe saturarse ligeramente, esto es, que la corriente de base sea suficiente para operar el transistor en la parte superior de la linea de carga. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Tecnología Temario específico – Tema 60 4/16 La saturación suave no es muy fiable en la producción en serie de transistores por la poca fiabilidad de los valores de Beta. No debe usarse saturación suave en un transistor en conmutación. Saturación dura significa tener suficiente corriente de base para saturar al transistor para todos los valores de Beta que se encuentren en la producción en serie. En el peor de los casos prácticamente todos los transistores de silicio tienen una Beta mayor a 10. Por lo tanto, una guía para el diseño en saturación dura es tener una corriente de base aproximadamente igual al la décima parte del valor de la corriente de saturación del colector; ésto garantiza la saturación dura bajo todas las condiciones de temperatura y desviaciones de la producción en serie. Por ejemplo, si el extremo superior de la linea de carga tiene una corriente de colector de 10 mA, entonces debe colocarse una corriente de base de 1 mA; ésto asegura saturación para todos los transistores, corrientes, temperaturas, etc. Recuérdese que ésto es sólo una guía: es útil, pero también es conveniente siempre el recordar su origen, por si en alguna (excepcionalmente rara) ocasión no fuera suficiente la relación 10:1. 3. MULTIVIBRADORES. Los multivibradores son circuitos que generan una onda cuadrada a su salida, de forma autónoma, requiriendo tan sólo una alimentación de corriente continua. Constituyen una aplicación típica de transistores trabajando en conmutación, utilizados de forma algo más sofisticada de lo que serla un mero interruptor, como era el caso del circuito visto anteriormente. 3.1 Multivibrador astable. Generan una onda cuadrada sin más necesidad que la propia alimentación continua del circuito. Los 2 transistores de que dispone pasan alternativamente de saturación al corte debido a la carga y descarga de los dos condensadores del circuito. En la figura siguiente se muestra un circuito constituidobásicamente por dos transistores, capaz de generar una señal cuadrada astable. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Tecnología Temario específico – Tema 60 5/16 Cuando se conecta el circuito al generador de CC, alguno de los dos transistores se satura, y debido a la conexión entre ambos, el otro elemento pasa automáticamente al estado de corte. Al cabo de un determinado tiempo, que depende de los valores de RB y de C, el transistor que está bloqueado pasa a saturación y el que está saturado pasa al corte. Este funcionamiento es cíclico y continuo mientras se mantenga conectada la pila que alimenta al circuito. Las señales de salida son complementarias y se obtienen entre los colectores de los transistores y tierra. En la figura siguiente se muestra las formas de onda de las tensiones en las bases y en los colectores de los transistores. La duración del período T, como hemos dicho, depende de los valores de RB y C. Si RB1 = RB2 y C1 = C2: T = 2 · RB · C · ln 2 Para obtener el tiempo en segundos es necesario que RB se exprese en ohmios y C en faradios. Si se desea una señal asimétrica, como la que se muestra a contunuación, será necesario construir un circuito con una red RB1-C1 diferente a la RB2-C2, donde: T1 = RB1 · C1 · In 2 T2 = RB2 · C2 · ln 2 www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Tecnología Temario específico – Tema 60 6/16 3.2 Multivibrador Monoestable. Mientras el multivibrador astable no tiene ningún estado permanente, sino que cambia periódicamente de uno a otro, el multivibrador monoestable tiene un estado permanente, y otro transitorio que es provocado por un impulso exterior al circuito. En la Figura siguiente se muestra un circuito monoestable, capaz de generar un impulso de tiempo constante cuando se le aplica un impulso de excitación a la base del transistor T 2r . El multivibrador monoestable es un temporizador que retarda a la desconexión: cuando se conecta la tensión de alimentación, después de unos instantes de inestabilidad, el transistor T 1r se satura y el T 2r pasa al corte. Esta situación permanece inalterable mientras no se aplique un impulso de tensión en la base de T 2r . Cuando esto ocurre, T 2r empieza a conducir hasta que se satura, y C, que estaba cargado a la tensión de la batería, con la polaridad indicada, mantiene su carga y hace negativa la base de T 1r , pasando éste al estado de corte. A partir de este momento, el condensador inicia un proceso de descarga y de carga a través de RB1, tal como se muestra en el gráfico siguiente. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Tecnología Temario específico – Tema 60 7/16 Cuando la tensión en la base de T 1r alcanza un valor de aproximadamente 0,7 V, el transistor comienza a conducir y automáticamente T 2r pasa al estado de bloqueo (corte). El condensador C vuelve a cargarse de nuevo a través de la resistencia Rc . La duración del período T del impulso generado por el circuito vale: T = RB1 · C · In 2 = 0,69 · RB1 · C En el circuito monoestable no existe ninguna relación de tiempo entre el impulso de excitación aplicado a la base de T 2r y la señal de salida generada por el circuito. El impulso de excitación suele ser de muy corta duración y se aplica normalmente a través de un circuito diferenciador formado por una red RC. Para provocar la conmutación del dispositivo también se puede aplicar un impulso negativo a la base del transistor T 1r , un impulso positivo al colector de T 1r , o poner a tierra el colector de T 2r . 3.3 Multivibrador biestable. Los multivibradores biestables, generalmente llamados también básculas, flip-flops o biestables simplemente, al ser capaces de permanecer en un estado determinado o en el contrario, en función de la aplicación de un impulso exterior, ofrecen la posibilidad de "retener" un suceso de corta duración durante tiempo indefinido o hasta la aparición de otro nuevo suceso, esto es, impulsos eléctricos. Esta característica es ampliamente utilizada en electrónica digital para "memorizar" información, presente en forma de pulsos de tensión (para estas aplicaciones existen chips que integran uno o varios biestables). Tiene dos estados estables, el cambio de un estado al otro está determinado por los impulsos de entrada, como se muestra en la figura: www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Tecnología Temario específico – Tema 60 8/16 Con la fuente -Vb siempre habrá un transistor en corte y otro en saturación. Si por ejemplo T1 está en corte y T2 en saturación, la tensión en A es alta, por lo que necesitará un impulso negativo en A para pasar al otro estado. Algo parecido sucede cuando T2 está en saturación y T1 en corte. 3.4 Circuito disparador Schmitt. Con este circuito se obtiene una onda cuadrada a partir de una señal sinusoidal. El circuito debe estar diseñado para que permanezca en un determinado estado (T1 corte y T2 saturación), siempre que los valores de entrada estén por debajo de uno determinado (ver figura siguiente). Además, las tensiones de polarización de los transistores deben ser distintas (Vce del T1 y Vce de T2). Esto lo conseguimos asegurándonos de que RL1 y RL2 son distintas. En estas circunstancias, la tensión en la entrada se divide entre la base- emisor de T1 y Re, de forma que: V1 = Vbe1 + Vre Nos interesa la caída de tensión en Re. Esta caída de tensión la llamamos Ve+ y es debida a Vcc, RL1 y Vce de T1. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Tecnología Temario específico – Tema 60 9/16 En el cronograma siguiente vemos la gráfica de la señal generada en este circuito cuando se aplica una onda sinusoidal a la entrada. Mientras la tensión en V1 no alcance el valor de Ve+, el transistor T1 estará en corte. Cuando U1 sea superior a Ve+, T1 comenzará a conducir, la tensión en A a disminuir y T2 comenzará a dejar de conducir. Ahora T2 está al corte y T1 en saturación. Como RL2 es distinta de RL1, la nueva caída de tensión en Re es ahora Ve- inferior a la anterior (ya que así lo hemos determinado en el diseño). La señal V1 sigue evolucionando, llegará al máximo y empezará a descender. Al pasar nuevamente por Ve+ no ocurre nada, pero al llegar a Ve- ocurrirá que T1 pasará nuevamente al corte y T2 a saturación. 3.5. Circuito diente de sierra. Es un circuito que genera un diente de sierra. Este circuito es muy utilizado en los equipos en los que se necesita una base de tiempos, por ejemplo un osciloscopio. El diente de sierra se consigue mediante la descarga de un condensador (ver figura). Cuando el interruptor está en 1, el condensador se carga a Vcc. Cuando se carga, pasa a la posición 2 y se descarga, pasando nuevamente a la posición 1. La respuesta se puede ver en la figura siguiente. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Tecnología Temario específico – Tema 60 10/16 4. TRANSISTORES DE EFECTO DE CAMPO: Mientras que los. transistores bipolares se dice que son dispositivos controlados por intensidad (ya que la Ic depende del valor de lb), los transistores de efecto de campo se dice que son dispositivos controlados por tensión, ya que suministran una corriente de salida proporcional a la tensión aplicada a su entrada. Existen dos clases diferentes de transistores de efecto de campo: los de "unión", a los que denominarenmos sencillamente FET ("Field effect transistor", a veces también llamados JFET, siendo la J de "junction"), y los MOS, por el tipo de tecnología utilizada ("Metal-oxide-Semiconductor"). 4.1 Transistores FET. Los transistores de efecto de campo de unión o FET, se dividen en FET de canal n y FET de canal p. Ambos transistores tienen tres terminales, denominados "surtidor o fuente (S)", "drenador (D)", y "puerta (G)”. Con los FET, de la misma manera que con los transistores bipolares, se pueden realizar tres montajes diferentes.Las distintas configuraciones son: surtidor común (SC), drenador común (DC) y puerta común (PC). El más utilizado es el drenador común (ver figuras). Veamos su funcionamiento: Supongamos por ejemplo un FET de canal n. Si aplicamos una tensión positiva entre ambos lados del canal n, este actúa como una resistencia y circula intensidad entre D y S, llamada IDS. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Tecnología Temario específico – Tema 60 11/16 Al aplicar una tensión VGS negativa entre S(tipo n) y G(tipo p) polarizamos inversamente dicha unión PN y se forma como sabemos una barrera de potencial mayor cuanto mayor sea VGS. Así, el canal n se va estrechando y para él valor de VGS en el que el canal se cierra totalmente (IDS = 0), se le llama explícitamente Vp a dicho valor. Por su parte, el valor de IDS cuando VGS = 0 se llama IDSS, y es un valor típico del propio transistor, dado por el fabricante. LLamamos VDS de saturación al valor a partir del cual IDS no depende de VDS. (En el corte VGS = Vp y IDS = 0). A partir de VDSsat (VDS de saturación), IDS se hace independiente de VDS ya que el canal está estrechado por acción de VGS(menor que cero) y aunque VDS aumente, IDS no lo puede hacer. Vemos por tanto que el control de IDS se realiza por tensión (VGS), mientras que en un transistor bipolar Ic era controlada por otra intensidad (Ib). Curvas de drenador: La siguiente figura muestra la familia de "curvas de drenador" de un FET de unión. Obsérvese la similitud con las curvas de colector de los transistores bipolares. Simplemente recordando aquellas podemos ya fácilmente interpretar éstas. Se encuentra una región de saturación, una región activa, una región de corte y una región de ruptura. Así en el ejemplo de las curvas anteriores vemos que la región activa se encuentra entre 4 y 30 voltios de VDS: en esa zona la IDS estará controlada directamente por la VGS y no por VDS. Obsérvese la región de saturación: cuando el FET está saturado, el valor de VDS está entre 0 y 4 voltios. Nótese que el voltaje de saturación más alto, o VDS de saturación (4 voltios), es igual en valor absoluto a el valor de la VGS mínima o Vp (-4 voltios). Esta es una propiedad de todos los FETs que permite usar la Vp como valor aproximado en valor absoluto de la VDS de saturación máxima. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Tecnología Temario específico – Tema 60 12/16 UN FET puede usarse en aplicaciones de amplificación de señales alternas (variaciones de tensión de VGS producen variaciones amplificadas de IDS en la salida). De forma resumida podemos decir que aunque la ganancia amplificadora es menor que las de los transistores bipolares, tienen la ventaja de presentar una especialmente alta impedancia de entrada y una baja impedancia de salida (algo importante a la hora de recoger la mayor parte de la señal a amplificar y suministrarla posteriormente, según recordamos de los problemas de amplificadores multietapa). Otro uso, el que ahora nos viene a colación en el presente tema, es como interruptores: el paso periódico de saturación (VGS = 0) a corte (VGS = Vp) y viceversa o uso en conmutación. En la figura anterior vemos un circuito FET para usos en conmutación, con el surtidor S conectado a tierra: cuando VGS es cero, el transistor lógicamente puede conducir y se supone que la VDS que obtenemos corresponde a un valor de saturación (la fuente Vdd y RD tendrán el valor adecuado para ello). Si por otro lado VGS es menor o igual al valor de VP, el FET está en corte y opera en el extremo inferior de la línea de carga. Idealmente el FET actúa como un interruptor cerrado cyuando está saturado, y como un interruptor abierto cuando esté en corte. 4.2 Transistores MOSFET. El transistor MOSFET también cuenta con un terminal llamado drenador (D) un surtidor (S) y un graduador o puerta (G). www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Tecnología Temario específico – Tema 60 13/16 Al aplicar una VGS positiva, la tensión positiva en G repele a los huecos de la zona P y atrae a los electrones del surtidor creando un CANAL N entre drenador y surtidor. La familia de curvas nos son de nuevo similares a las ya conocidas: para una determinada VGS positiva, conforma aumente la VDS aumenta IDS hasta un valor (VDS de saturación) en el que aunque siga aumentando VDS, IDS ya no aumenta más: región activa. Existen distintas variantes de transitores MOSFET (MOSFET de enriquecimiento, VMOS,...) que de forma resumida podemos decir que en conmutación se caracterizan por que son capaces de aceptar una especialmente alta velocidad de conmutación, por lo cual son especialmente útiles en numerosas aplicaciones de conmutaciones a alta velocidad. 5. CIRCUITO INTEGRADO 555 El dispositivo 555 es un circuito integrado muy estable que temporiza con una gran precisión y que además puede funcionar también como oscilador. Cuando se utiliza como temporizador, la duración del período se fija mediante una resistencia y un condensador exterior al propio dispositivo. El circuito puede ser disparado o puesto a cero mediante el frente de bajada de una señal de tensión aplicada a uno de sus terminales; la etapa de salida puede suministrar o absorber hasta 200 mA. Las características más notables del dispositivo son: • Temporización desde microsegundos hasta horas. • Dos modalidades de funcionamiento: monoestable y astable. • Relación del ciclo variable (funcionando como oscilador). • Estabilidad frente a las variaciones de temperatura: 0,005 %/°C. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Tecnología Temario específico – Tema 60 14/16 En la figura siguiente se muestra el diagrama de conexión y el diagrama de bloques del circuito que contiene dos comparadores y un flip flop (biestable); además tiene un transistor y una puerta inversora que proporciona un nivel bajo (0 V) a la salida cuando el dispositivo está en reposo (sin disparo). Los terminales 1 y 8 se conectan a tierra y al positivo de la fuente de alimentación, respectivamente. El circuito 555 puede funcionar en un margen de tensión de alimentación comprendido entre 4,5 y 16 V. Al terminal 2 le aplicamos la tensión de disparo y aquél está conectado directamente a la entrada inversora del comparador inferior. Si el terminal 4 (puesta a cero) se conecta a tierra, el circuito se inhibe y por tanto deja de funcionar como tal. En algunas aplicaciones esta función es de gran utilidad, pero en los empleos más corrientes, la patilla 4 se conecta directamente al positivo de la fuente. El terminal 3 es la salida del dispositivo. Los terminales 5 (control) y 6 (umbral) son las entradas inversora y no inversora del comparador 1. La entrada de control está conectada a una cadena de resistencias internas del circuito de tal forma que el nivel de tensión aplicado a la misma es 2/3 Vcc. El valor de las tres resistencias es el mismo. Al terminal 6 se suele conectar el condensador exterior. El terminal 7 es una salida que está conectada al colector del transistor interior. La finalidad del transistor es descargar el condensador C, bien cortocircuitándolo (funcionando en monoestable) o a través de una resistencia (funcionando en astable). 5.1 Funcionamiento como monoestable. Como ya hemos señalado, la carga puede conectarse entre el positivo y el terminal 3 (salida), o entre dicho te rminal y tierra. El terminal 4 (puesta a cero) se conecta directamente al positivo de la fuente, y entre el terminal 5 (control) y tierra se conecta un condensador de 10 nF. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Tecnología Temario específico – Tema 60 15/16 Este elemento funciona como pantalla para que los ruidos y radiaciones no perturben el nivel de la tensión de control. La resistencia RA se conecta entre positivo y el terminal 7, y la capacidad entre este terminal y tierra. Estos dos elementosson los que determinan la duración de la temporización o período del monoestable, cuyo valo r es: T = 1,1 · RA · C El dispositivo se dispara cuando la tensión en la patilla 2 es de cero voltios. En reposo la tensión aplicada en dicho terminal ha de ser la del positivo de la fuente. En estas condiciones la salida del comparador 2 es nula, ya que la tensión en su entrada inversora (Vcc) es superior a la de su entrada no inversora (1/3 Vcc). La salida del comparador 1, suponiendo que el condensador está descargado, también está a cero voltios, ya que la tensión en su entrada inversora vale 2/3 Vcc. Las entradas del biestable valen R = 0 y S = 0; mientras estos valores se mantengan, la salida Q, que suponemos se encuentra a nivel alto (Vcc), permanecerá sin alteración. El transistor se saturará y el conden- sador no podrá cargarse. Si se produce un impulso de disparo (bajada a cero voltios de la tensión en el terminal 2), la entrada S del biestable pasa a nivel alto, y en consecuencia Q pasa a nivel bajo (0 V). El transistor pasa al corte y permite que el condensador se cargue a través de la resistencia RA. Cuando el condensador alcanza una tensión igual a 2/3 Vcc, la entrada R del biestable pasa a nivel alto y Q pasa también al mismo nivel. El transistor se satura y C se descarga bruscamente. Después del impulso de disparo, S vuelve a su valor inicial de cero voltios. Cuando acaba la temporización, R pasa también a nivel cero; consecuentemente, la salida Q mantendrá el valor anterior, es decir, nivel alto. En la figura siguiente se muestran las formas de onda de entrada (disparo), salida y la tensión en el condensador. www.eltemario.com Oposiciones Secundaria – Tecnología Temario específico – Tema 60 16/16 5.2 Funcionamiento como astable. En la figura siguiente mostramos la conexión necesaria para que el 555 funcione como astable. El terminal de disparo se cortocircuita con el de umbral y entre las patillas 6 y 7 se conecta una resistencia (RB). La resistencia RA y el condensador C se conectan entre las mismas patillas que en el caso del monoestable. A continuación se muestran las formas de onda que aparecen en la salida del dispositivo y entre los extremos del condensador C. El condensador se carga ahora a través de RA + RB y se descarga a través de RB. La relación T1 / T2 puede modificarse variando los valores de las resistencias RA y RB. En esta forma de funcionamiento la tensión en el condensador varía entre 1/3 de Vcc y 2/3 de Vcc y la frecuencia de funcionamiento es independiente de la tensión de alimentación.
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