5. EL TRANSISTOR TRABAJANDO EN CONMUTACION

ELTRANSISTOR

En líneas generales, el transistor puede trabajar de dos formas diferen-ciadas:

1." En la zona lineal de una recta de carga.

2.a En conmutación, es decir, bloqueado y saturado.

Cuando el transistor trabaja en la zona lineal. el principio de su funciona-miento es el "control de corriente», que consiste en que pequeñas variacionesde la corriente de entrada lB originan variaciones más importantes en lacorriente de salida le. En esta zona, la relación entre le e lB es el parámetro hfE,tal como se expresa de forma gráfica en la figura Ap-3.

El funcionamiento del transistor en conmutación, sólo le permite dos posibi-lidades de trabajo:

1} Bloqueado, es decir, sin circulación de corriente, al no estar polarizada labase del transistor lo suficiente. En la figura Ap-4 la base tiene O V, o sea, lamiSma tensión que el emisor y se recordará que para empezar a conducir untransistor de silicio, NPN, precisa que la base sea positiva respecto al emisor enunos 0,7 V. Cuando el transistor está bloqueado su tensión de salida es lamáxima.

ff0fRABíjAr~;:-;>~§N.:f~~A:.~~~~~~

+ B (p)

C(N)

e

E(N)

~;~~~~E~9~;+5V

av

le' o

+-+---- vSAL - 5V

1

2) Saturado, lo que supone Que el transistor es atravesado por la máximacorriente posible, le SATURACION, con lo que la tensión de alimentación del circuitose queda, prácticamente toda, en la resistencia de carga situada en el colectordel transistor, mientras que en el colector la tensión de salida es nula. Estasituación es sólo teórica, puesto Que si no tuviese tensión el colector, el transis-tor no conduciría. En la práctica, cuando el transistor está saturado, la tensiónentre colector y emisor es del orden de 0,3 V. (Ver la figura Ap-5.)

Cuando la VBE directa del transistor origina la saturación del mismo ya no semantiene la relación entre la le y la lB' que en la zona lineal era hFE; en este casoes superior y para asegurar la saturación del transistor la relación por lo menosdebe llegar al doble que en la zona lineal, o sea, a 2 . hFE•

+5V

-.-----i

"f ÓIVSAL -ov

. "

En la figura Ap-6 se observa el comportarnientode un transistor trabajandoen saturación. La señal cuadrada de entrada se obtiene a la salida invertida.

Sobre la figura Ap-6 se pueden deducir las siguientes condiciones de trabajodel transistor.

ENTRADAVE'---~--t---.--4~

SAUDA~--.-----<:...----.•Vs

ENTRADASATUR_::JL

CORTE

~,co"'~rUDAIVCESAT SATUR

2

Bloqueo

IC=O Y

Saturación.-Cuando Ve y Repermiten se cumpla que

Vs = VeE SAT = 0,25 V; le

Finalmente en la figura Ap-7 se muestra el esquema de dos transistores conlas polarizaciónes típicas éntre sus electrodos: a la izquierda en funciona-miento en la zona lineal y a la derecha trabajando en saturación, En el primercaso le = 'a . hFE, Y en el segundo caso, le = la ' '/2 . hFE. (El factor 1/2 se tomapara asegurar la saturación).

+!¡ 'e

I !! I +l't43V

¡IfB :; 12V~17L-Jii - E

0'6 V

B ++017vl

-_, __ E

Teniendo en cuenta estas características fundamentales del comportamientode los diodos y transistores, a continuación se exponen seis ejemplos de cálculoy diseño de circuitos con transistores. Los tres primeros se refieren al trabajodel transistor en conmutación y los tres finales al trabajo en la zona lineal ycálculo de etapas amplificadoras,

3

1.er EJERCICIO

DISEÑO DE UN CIRCUITO SIMPLE DE CONMUTACION

Dadas las características del transistor se 107, hallar los valores de lasresistencias Rs Y Rc Que forman el circuito de conmutación de la figura Ap-8;teniendo en cuenta que en saturación se desea que circule una le SAT = 60 mA. ..Los niveles lógicos aplicados a las bases para el bloqueo y la saturación son deO y 5 V, respectivamente, y la polarización del circuito es de 10 V.

se 107 (NPN)

DATOS:

PTOTAL = 25ÚmW.

le máx = 100 mA

hFE = 200 !le::: 60 mAl

VBE = 0'7 (lC::::60mAI

+10V

.. 1lB

VBE = 07 VSAT

.s:«:

le = 60mA(SATURACIONI

'SL \ovVeO ( +5 V. (SATl

.<

1.º Cálculo de Rc.

En la figura Ap-9 se ha dibujado la curva de máxima potencia para conocerla zona permitida de trabajo del transistor. También se ha trazado la recta de .carga, puesto Que Quedan determinados dos puntos: .

'c=O, VCE= 10V y el le=60mA. VeE=OV

Se ha calculado la Re sobre la misma figura Ap-9, plicando la ley de Ohmen el punto de saturación, habiendo obtenido un valor teórico para ella de 166ohmios. En la práctica se tomará como resistencia de carga una de valor norma-lizado de 170 ohmios.

2.Q Cálculo de la lBen saturación.

IlB> _C_ (SATURACION)

hFE

.4

EN SATURACION

100

ZONAPROHIBIDA

PT = 250mW.

2

'<.::::-.:::;:.~~.~:-:':---' - - -; -:- rz.: _.,.-- .: --- - - - _:~._.. _-':~~-~. ~~--.""-: .-~-:: ...--:~

- ". o .CiFI;uito.~·Con§u:: r?cta .dé. carga ~'l.. 'cuLv'á:::'de -' ~ -, ,: ':;~.<:' ~"~'~1fJ~ictrp~.~"ot~rjCí::~:~;?:ti,~j';-¿':~:' :,";0:

En la práctica, para mayor seguridad:

le 60lB = 2-- = 2--= 0,6 mA.

hFE, 200

3.2 Cálculo de' RB para permitir la saturaci6n con 5 V de entrede

Según la figura Ap.l O,

AIle= GOmA

••+5V-------r--l---~~r

5-07RB = 0,00~6 7 K (aproximadamente).

Finalmente, en la figura Ap-10 bis se muestra el circuito completo una vezdiseñado.

+10V

ENTRADA(+5V)~.sL'C=60mA

SALIDA

lLJ-o

1

2.o EJERCICIO

DISEÑO DE UN CIRCUITO DE CONMUTACION PARALA AlIMENTACION DE UN LEO

Diseñar un circuito basado en el transistor se 107 (NPN) Que, trabajando ensaturación, al aplicarle a su base 2,7 V conduzca una corriente de 20 mA paraactivar un diodo LEO, que en esta situación absorbe 1,7 V..La alimentación delcircuito, que se refleja en la figura Ap-11, es de 6 V Y el coeficiente hFE para·--esta le será de 90. .:¡

1.º Cálculo de la Re suplementaria al diodo LEO.

Vc=leRe+VL +VeE

Ve-VL -VeERe= --::_-=---==-le

Si el transistor está saturado, VCE =°V (aproximadamente).;-.

Ve-VL 6-1,7Re= = --'---= 215 ohmios.

le 0,020

------------------------ ----------------~---------

El valor de la resistencia normalizada más próximo es de 220 ohmios.

2.Q Cálculo de la le.

En la práctica, cuando el transistor está saturado:

le 0,020Ig=2- =2 =OA4mA.

hFE 90

••

13.Q Cálculo de Re.

Teniendo en cuenta que en un transistor de Si la BE de saturación es delorden de los 0.7 V, aplicando la ley de Ohm al circuito de entrada mostrado enla figura Ap-12:

'B= O"44mA

YSE = 0"7 V

J /-..J,..

2,7-0,7---'---= 4.545 ohmios (normalizada: 4K7).0,00044

El circuito, una vez diseñado por completo, se ofrece en la figura Ap-13.

se 107

Ve = 2'7V RB = 4K7

. .

3,er EJERCICIO:

CARACTERISTICAS DE UN TRANSISTOR EN SATURACION

+5Ve--~~--_~

9

~Si el transistor del circuito de la figura Ap-14 está saturado y en su diseño se

ha usado un coeficiente de seguridad 2. es decir. lB = 2 . Ic/hFE• averiguar:1.0 hFE; 2.° Validez de la Re = 470 n. y Resistencia de carga mínima.

1.º Cálculo de hFF.

5-031- 'c- 470

10mA; la5-0.7

8.0000.5mA

le 10hFE = 2-= 2-= 40

lB 0,5

2.° ¿Es válida la Re = 470 ohmios?

La Potmax del transistor es 20 mW. ¿Cuál es la Rmin que puede colocarsecomo carga?

En la figura Ap-15 se éomienza dibujando la curva de máxima potencia para20 mW y después la recta de carga para 470 ohmíos. que al quedar en la zonapermitida sí es válida.

16'\'\\\'\\,

'\\\

"'1

'cImA)

14

12

10ZONA PROHIBIDA

8

2

2 3 4 5

Pa,r~calcular I~ Rmin se traza en la figura Ap-15 la recta tangente a la curvade m~xlma potencia y se analiza. para deducir el valor de la resistencia corres-pendiente, el punto de saturación: le = 16 mA Y VeE = O, de donde:

5Remin = = 312 ohrnios.

0,016

-------~_.