cómo usar un Transistor como un interruptor

a veces comprender cómo funcionan los circuitos electrónicos más simples puede ser intimidante y / o confuso para el estudiante, aficionado o novato. Si no recuerdo mal (en el siglo 17), la mitad de las personas en mi clase de electrónica abandonó después del primer semestre. Lanza un curso de cálculo y serás testigo de una estampida furiosa por la puerta de salida. ¿A quién culpamos por esta abismal tasa de deserción escolar: estudiantes, maestros o currículo?, A Andrew Carnegie se le preguntó una vez: «¿Qué es más importante: trabajo, capital o cerebro?»Su respuesta fue,» ¿Cuál es la pierna más importante en un taburete de tres patas?»

desafortunadamente, la respuesta a la pregunta de la culpa está más allá del alcance de este artículo. Lo que debería ser importante es presentar el tema de la electrónica de tal manera que sea fácil para cualquier persona aprender. Con eso en mente, echemos un vistazo a uno de esos circuitos simples y ubicuos: el interruptor de transistor. No te preocupes, no hay nada más desafiante aquí que la multiplicación, división, suma y resta., Entonces, ¡comencemos!

un TRANSISTOR como conmutador

vea la Figura 1. Muestra un circuito típico de transistor/LED de propósito general (NPN). Si conecta +5 voltios a Vcc en este circuito y pulsa el terminal de entrada (Vin) con +5V, 0V, +5v, etc., el LED parpadeará encendido y apagado en consecuencia. Por supuesto, para que este circuito funcione correctamente, debe calcular los valores de resistencia correctos para RC y RB. ¿Cómo lo haces? Bueno, sigue leyendo.

FIGURA 1.,

antes de comenzar, debe tenerse en cuenta que utilizaremos el transistor como un simple interruptor y no como un amplificador. Recuerde, los transistores pueden funcionar como un amplificador o un interruptor. Si está utilizando un transistor para amplificar una señal, se dice que el transistor está operando en la región» activa «o» lineal».

sin profundizar demasiado en la teoría del transistor, la región activa implica un rango de puntos de operación (Google «curvas características del transistor») en el que el transistor amplificará una señal sin distorsión.,

por otro lado, cuando el transistor se utiliza como un interruptor, está operando en lo que se llama el modo «digital» (on/off). En este estado de funcionamiento, el transistor no» amplifica » el voltaje de entrada (VIN) de ninguna manera. Para usar un transistor como un interruptor, todo lo que tienes que hacer es aumentar la corriente en el terminal base a un cierto nivel, y el transistor entrará en un estado comúnmente conocido como «saturación».,»Este es un estado (modo de operación) donde no importa cuánta corriente adicional se bombee al terminal base del transistor, la corriente del colector no aumentará más.

una vez que un transistor está en modo de saturación, actúa como un interruptor mecánico SPST Cerrado (ver Figura 2). A su vez, cuando el transistor está apagado (sin corriente de base), entra en modo de «corte» (completamente apagado). En pocas palabras, el transistor está encendido o apagado-la amplificación es inmaterial.

FIGURA 2.,

bien, ahora que sabes la diferencia entre un amplificador de transistor y un interruptor, usemos el transistor como un interruptor para encender y apagar un LED.

compruebe la hoja de datos

el primer paso es buscar en Google las hojas de datos tanto para el LED como para el transistor. Usted notará en la hoja de datos del LED un listado para la corriente delantera máxima (si). La mayoría de los populares LED de orificio pasante de 5 mm de diámetro tienen una corriente máxima nominal de alrededor de 20 mA.

Una vez establecida la clasificación máxima de LED, ¿qué hacemos con esa información?, Bueno, significa que necesitamos reducir la clasificación máxima de 20 mA a un nivel de corriente seguro para que el LED no se destruya. Un buen punto de partida es entre 5 y 15 mA, dependiendo de la luminosidad de un LED que necesite. Acordemos aquí establecer la corriente máxima (IC (MAX)) que fluye a través de nuestro LED a 15 mA. Ahora, siga adelante y use la Ley de Ohm para calcular el valor de la resistencia del colector (Rc). La fórmula se enumera a continuación; supongamos que tenemos +5v como nuestra fuente de alimentación (Vcc) y (IC(MAX)) = 15 mA.

RC = VCC = 5
IC (MAX).015

¿calcular un valor de 333.33 ohmios para RC? ¡Tienes razón!, Vale, detente ahí – ¡tenemos un problema! A la fórmula anterior le faltan un par de parámetros eléctricos muy importantes. Lo que falta es el hecho de que tanto el LED como el transistor, cuando se encienden, tienen una caída de voltaje a través de sus terminales y esto debe tenerse en cuenta en la fórmula.

un transistor de propósito general caerá alrededor .1 a .3 voltios a través de los terminales de colector / emisor(VCE (sat); consulte la hoja de datos) cuando está en modo de saturación (Completamente Activado)., Una vez que un transistor se satura, la corriente del colector alcanza un nivel o meseta donde cualquier aumento adicional en la corriente de base no causará un aumento adicional en la corriente del colector. En «teoría», en este punto la caída de voltaje del colector/emisor (VCE(sat)) debería ser cero si el transistor estaba funcionando como un interruptor mecánico SPST.

recuerde, un interruptor mecánico no tiene caída de voltaje cuando se voltea al estado on porque no hay resistencia entre los contactos., Por otro lado, los transistores tienen una pequeña cantidad de resistencia a través de los terminales colector/emisor (RCE) cuando se encienden, y por lo tanto una caída de voltaje.

además de la caída de voltaje del transistor, el LED también caerá en algún lugar entre 1.2 y 3 voltios cuando está encendido (consulte la hoja de datos en VF). Por lo tanto, para calcular el valor correcto para la resistencia Rc, la caída de tensión a través del colector/emisor (VCE(sat)) y la caída de tensión a través del LED (V(LED)) deben incluirse en la fórmula., Por lo tanto, Aquí está la misma fórmula de la Ley de Ohm modificada para tener en cuenta todas las caídas de voltaje:

Rc = VCC – V(LED) – VCE(sat)
IC(MAX)

Rc = Vcc – V(LED) – VCE(sat)
IC(MAX)
Rc = 5 – 1.9 – .1
.015
Rc = 200 ohmios

el cálculo muestra que necesitamos una resistencia de 200 ohmios para Rc con el fin de limitar la corriente a través del LED a un seguro 15 mA. Aviso, si hubiéramos utilizado la fórmula básica de la Ley de Ohm (Rc = Vcc / IC (MAX)), RC sería 333.33 ohmios. El verdadero problema con el uso de un 333.,La resistencia de 33 ohmios para RC comienza cuando realmente corta el circuito, solo para descubrir que la corriente que esperaba a través del LED no es el 15 mA requerido, sino 9.2 mA (una pérdida del 39%). Por lo tanto, si no agrega las caídas de voltaje del LED y del transistor en el cálculo, su LED no será tan brillante como se esperaba.

Trate de ver el LED y el transistor como pequeñas resistencias. En un circuito de la serie, usted añadiría todos los valores del resistor juntos para conseguir la resistencia total, derecho? Bueno, todo lo que estamos haciendo aquí es contabilizar todas las caídas de voltaje en un circuito en serie.,

La Figura 3 muestra claramente lo que sucede con la corriente del colector (IC(MAX)) cuando no incluye todas las caídas de voltaje en la fórmula.

FIGURA 3.

BASE para controlar

la pregunta ahora es ¿cómo controlar el transistor para que se encienda y apague? Bueno, tenemos que hacer dos cosas: 1. Encuentre la corriente base (IB) correcta del transistor que saturará el transistor. 2. Calcular el valor de resistencia para la resistencia base RB (ver Figura 1)., La fórmula para encontrar la corriente base ES:

IB(EOS) = IC(MAX)
Beta (min)

Aviso aquí, para encontrar la corriente base (IB), dividimos la corriente máxima del colector (IC(MAX)) que queremos pasar por el LED (15 mA) por la Beta mínima que aparece en la hoja de datos (hFE). ¿Qué es Beta? Beta – también conocida como ganancia de corriente continua – es una relación relacionada con la cantidad de ganancia de corriente que puede esperar a través del terminal colector de un transistor dada una cierta cantidad de corriente que entra en el terminal base. En otras palabras, la corriente base controla la corriente del colector., Es como una pequeña válvula de agua que controla el flujo de agua que corre a través de una tubería grande.

habiendo dicho todo eso — y esto es muy importante-Beta (ganancia) solo se utiliza en el diseño del amplificador. Cuando se utiliza un transistor como un interruptor (modo digital), Beta tiene poco efecto o significado Porque el transistor no está funcionando en la región activa en la que funcionan los amplificadores. Una vez que un interruptor de transistor está en modo de saturación, no hay ganancia de corriente de colector más allá de la saturación.,

En otras palabras, una vez que un interruptor de transistor alcanza el punto de saturación, la fórmula de ganancia IC = Beta X IB ya no se aplica porque la caída de voltaje a través de los terminales de colector/emisor (VCE(sat)) ha alcanzado su voltaje de saturación más bajo de .1V. cuando VCE (sat) alcanza este nivel de voltaje, la corriente del colector no puede aumentar más allá de este punto, incluso si la corriente base continúa aumentando.

recuerde, un transistor que funciona en modo digital (encendido/apagado) está en modo de saturación (completamente encendido) o en modo de corte (completamente apagado)., Por lo tanto, cualquier nivel de corriente de colector (Ic) entre los dos estados de saturación y corte no es importante para el funcionamiento de un interruptor de transistor, solo es importante para los diseñadores de amplificadores.

bien, entonces, ¿qué valor usamos para Beta en la fórmula para encontrar la corriente base (IB)? Bueno, la regla estándar indica que debe usar la Beta mínima (HFE) que aparece en la hoja de datos. Desafortunadamente, la Beta mínima que aparece en la hoja de datos solo colocará el transistor en el borde de saturación (EOS)., Dado que los transistores son sensibles a los cambios de temperatura, un cambio en la temperatura podría forzar al transistor a moverse desde el EOS hacia el área «activa» (región del amplificador).

por lo tanto, para eliminar esta posibilidad, utilizamos lo que se conoce como un «factor de Overdrive» (ODF). Este es un número arbitrario entre 2 y 10 que se utiliza para asegurar que el transistor se conduce con fuerza a la saturación (completamente encendido), y donde los cambios de temperatura no logran que el transistor salga de la saturación. Por lo tanto, IB es igual a:

IB = IB(EOS) X ODF
↓
IB = IC(MAX) x ODF
Beta (min)
IB = .,015 X ODF
100
IB = .15 mA x 10
IB = 1.5 mA
nota, en la fórmula anterior, usando un ODF de 10 aumentamos la corriente base de 150 µA a 1.5 mA, asegurando así que el transistor es forzado a una saturación profunda. Por ejemplo, si una hoja de datos enumerara una Beta(min) de 75, y necesitara una corriente de colector (IC(MAX)) de 25 mA, IB sería .333 mA (.000333A). Desafortunadamente, 333 µA solo colocarían el transistor en el EOS. Usando un ODF de 10, aumentamos la corriente base (IB) a 3.3 mA — mucho más allá del EOS y en saturación profunda.,

ahora que hemos establecido que se requiere una corriente base (IB) de 1.5 mA para saturar nuestro transistor, calculemos el valor de resistencia necesario para la resistencia base RB. Una vez más, usamos la Ley de Ohm para calcular para RB:

RB = VIN – VBE(sat)
IB
RB = 5 – .6
.0015
RB = 2933.33 ohmios

tenga en cuenta en la fórmula anterior, que VBE(sat) es el voltaje base requerido que debe estar presente para sesgar hacia adelante la Unión base/emisor del transistor (es decir, para encender el transistor). En términos generales, este valor está entre .6 a .7 voltios para un transistor de propósito general., Compruebe siempre VBE (sat) que aparece en la hoja de datos para verificar.

La Figura 4 muestra el circuito LED terminado con todos los componentes y parámetros eléctricos claramente marcados(La Ley de Ohm también se utilizó para calcular la resistencia para R(LED) y R (CE)).

FIGURA 4.

Ahora tenemos los valores de resistencia correctos para operar el circuito de LED y transistor de manera segura: Rc = 200 ohmios; y RB = 2933.33 ohmios.

estoy seguro de que has notado que nuestro 2.,La resistencia 933K no es un tamaño estándar que pueda comprar en cualquier lugar. La regla general en este caso establece que puede usar el siguiente valor de resistencia estándar por debajo de 2.933 K (2.7 K a 2.87 K). ¿Por qué?

la resistencia más baja solo ayuda a disminuir la posibilidad de que el transistor salga del modo de saturación durante las variaciones de temperatura y fuente de alimentación al aumentar la corriente base (es decir, el transistor entra aún más profundamente en saturación).

recapitulación

repasemos todos los pasos necesarios para utilizar un transistor como conmutador:

1. descargue las hojas de datos para el LED y el transistor.,
2. Determine la corriente máxima (IC (MAX)) que desea pasar por el LED y el transistor, y verifique que no exceda la calificación de corriente máxima del LED (IF) o el transistor (Ic); consulte la hoja de datos.
3. calcular el valor de la resistencia Rc. Asegúrese de incluir las caídas de voltaje para el LED (V (LED)) y el transistor (VCE(sat)) en la fórmula de la Ley del Ohm.
4. Calcule el IB de corriente base del transistor usando un ODF de 10.
5. Calcule el valor de resistencia para la resistencia base RB.

Eso es todo. Un poco fácil, Bueno, tal vez no.,

puntos importantes

1. El diseñador de circuitos (usted) determina cuál debe ser la corriente correcta del colector de transistores (IC(sat)) mirando las hojas de datos de LED/transistor y verificando que la corriente que pasa por el circuito de transistor / LED está por debajo de las clasificaciones máximas para ambos dispositivos. En otras palabras, la corriente de saturación (IC(sat)) que fluye a través de un interruptor de transistor no está determinada por los parámetros eléctricos internos del transistor, sino por los componentes externos (resistencia/LED) empleados por el diseñador del circuito.,
2. Beta (ganancia de CC) como se indica en la hoja de datos no tiene sentido cuando se utiliza un transistor como conmutador (saturación/corte). Solo los diseñadores de amplificadores se preocupan por los diversos niveles de corriente de colector (ganancia) entre saturación y corte. En otras palabras, cualquier nivel de corriente de colector entre los dos estados operativos de «saturación» y «corte» (es decir, región activa) no es importante para el funcionamiento de un circuito de interruptor de transistor.
3. La «saturación» en un circuito de interruptor de transistor se logra cuando el voltaje a través del colector/ emisor (VCE(sat)) es menor o igual a .,1 a .3 voltios-dependiendo del tipo de transistor. En ese punto de voltaje, el transistor parece actuar como un simple interruptor mecánico SPST que ha sido cerrado (encendido).

nota FINAL

en una nota personal, cuando hago una tabla de cortar el pan de un circuito solo uso un orificio pasante, Rojo, 5 mm de diámetro, ultra brillante, cúpula transparente de 640 nm LED. He probado otros LED, pero los LED domo transparentes son los mejores. Son tan brillantes que te lastiman los ojos.

pida una bolsa de LED de Digi-Key, Jameco o Mouser para su próximo proyecto — le hará la vida más fácil., NV

hechos sobre el interruptor de Transistor

1. cualquier nivel de corriente de colector (Ic) entre los dos estados de saturación y corte no es importante para el diseño o funcionamiento de un interruptor de transistor, solo es importante para los diseñadores de amplificadores.,
2. cuando se utiliza un transistor como conmutador (modo digital), DC Beta (hFE) no tiene ningún significado Porque el transistor no funciona en la región activa en la que funcionan los amplificadores. Un interruptor de transistor está en modo de saturación (completamente encendido) o en modo de corte (completamente apagado). En otras palabras, la fórmula de ganancia Ic = Beta X Ib no es válida más allá del punto de saturación.
3. La corriente de saturación (Ic (sat)) que fluye a través de un interruptor de transistor no está determinada por los parámetros eléctricos internos del transistor, sino por los componentes externos (resistencia/LED) empleados por el diseñador del circuito.,
4. para forzar un interruptor de transistor a una saturación profunda, el diseñador de circuitos agrega un factor de overdrive a la corriente base.