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Aplicaciones con el transistor según su región de operación (corte, saturación, activa)
El transistor se puede usar como interfase entre etapas de un sistema electronico, sea
como interruptor (suiche, conmutador) o como amplificador de señal. Su
funcionamiento depende un diseño adecuado y el circuito de polarizacion que
utilicemos.
Aplicación del transistor como interruptor (suiche, conmutador): esta opcion es muy
empleada en el diseño de aplicaciones con circuitos digitales y demas sistemas
acoplados a un computador, y en aplicaciones de control automatico. En el siguiente
circuito, el transistor opera como conmutadondo la señal de entrada, como si fuera una
compuerta inversora. El voltaje de salida Vc es opuesto al de entrada. Se puede observar
la ausencia de una fuente conectada a la malla de la base. La unica fuente es Vcc, q para
sistemas digitales y computadoras normalmente es 5v (magnitud de nivel alto).
En la figura, el transistor opera como inversor
Para q el transistor opere en conmutacion, se requiere que el punto de operación
“conmute” entre la region de corte y saturación a lo largo de la recta de carga. Se debe
asumir q Ic= 0 cuando Ib=0, y que Vce(sat) = 0 en saturación, aunque el valor tipico es
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0.1 a 0.3v. Cuando Vi = 5v, el transistor se encontrara Activo o “Encendido” y el
diseño (calculo de los parametros) debe asegurar q el transistor este saturado totalmente
por un nivel Ib mayor asociado con la curva Ib, q aparece cerca del nivel de saturación.
En la figura se requiere Ib > 50uA. El nivel de saturación para la corriente de colector
esta dado por:
; Para alcanzar nivel de saturación se debe satisfacer
Ejercicio 1: Cuando Vi = 5v, cual es el nivel resultante de Ib?
Se cumple la condicion ?
Para Vi=0v, la Ib = 0uA y entonces suponemos Ic = 0mA, como el voltaje en Rc es
VRc = Ic*Rc =0v, entonces consecuentemente el voltaje en la salida sera Vc=5V, lo
cual se observa en la figura anterior (a).
En aplicaciones de control, el transistor puede operar como suiche o interruptor si se
emplea en los extremos de la recta de carga. La Rsat tiende a ser muy baja, aprox = 0,
respecto a la mayoria de resistencias las cuales son del orden de los kohms.
Ejercicio 2: utilizando un valor tipico de Vce(sat) = 0.15v y Ic(sat)= 61mA, Rsat?
Es aproximadamente = 0?
Que pasa cuando el transistor esta en la region de corte?
Ejercicio 3: para Vi = 0v, cual es el valor de la
resistencia ? R(corte)?
El resultado es la equivalencia de un circuito abierto.
Ejercicio 4: Determine Rb y Rc, para el transistor inversor, si Ic(sat)= 10mA
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Para el control de pequeños motores DC, se utiliza principalmente transistores de
mediana potencia, lo cuales son el A715 (PNP) y el D882 (NPN), y uno de baja
potencia que es el 2N3904 (NPN).
Un transistor puede ser utilizado como suiche controlado por voltaje, por ejemplo si le
aplicamos a la base de un transistor NPN un voltaje a través de una resistencia, la
corriente comenzara a circular de colector (C) a emisor (E), activando este como si
estuviéramos cerrando un suiche, si por el contrario retiráramos el voltaje de la base la
corriente dejaría de circular de C a E, como si abriéramos el suiche.
En los siguientes circuitos se presenta un ejemplo típico de cómo controlar el encendido
y el apagado de un diodo led por medio de un transistor NPN.
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En el circuito anterior le aplicamos un voltaje de 5 voltios a la base del transistor
limitando la corriente en la base con la resistencia R1, en ese momento la corriente
comenzara a circular de colector a emisor, y el transistor quedara como un suiche
cerrado como se muestra en la figura de la izquierda, en este momento el diodo led
queda polarizado y comenzara a iluminar, la resistencia R2 es para limitar la corriente
que circulara por el diodo led que vimos anteriormente y así evitar su destrucción.
Cuando se retira el voltaje de base del transistor la corriente de base deja de circular y el
transistor se comporta como un suiche abierto dejando el led de iluminar, este es un
ejemplo típico de un transistor en REGION DE CORTE.
El siguiente ejemplo aplicativo utiliza el transistor como suiche para activar y desactivar
un motor DC, muy útil para las aplicaciones típicas de la robótica básica.
Calcular la resistencia de base para saturar el transistor y activar el motor, suponiendo
un beta de 200, si se tiene un motor que opera a 12v y consume 1Amperio.
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Para operar el transistor en región de saturación suponemos que
βsaturacion
β
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Entonces la corriente de colector quedara dada por
.
Ic βsaturacionIb
Como sabemos que la corriente del colector es igual a la de el motor o sea 1Amperio
Ic
βsaturacion
Ib
Ib
( 1 A)
50
Ib 0.02 A
Ya con la corriente de base aplicamos ley de ohm para hallar R1
R1
(5 v
0.7 v )
Ib
R1
( 5 v 0.7 v )
0.02 A
R1 215 Ω
CONTROL DE GIRO PARA MOTORES
Para el robot que deseamos construir debemos controlar dos motores, uno de la
dirección para girar el vehículo hacia la derecha o hacia la izquierda y otro para
controlar la tracción del vehículo hacia delante o hacia atrás, para los dos motores
usaremos el mismo control con la diferencia que el de tracción debe ser mucho mas
potente que el de la dirección, el circuito será explicado a continuación.
ASPECTO REAL DE
UN MOTOR DC
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La mayoría de los motores DC tiene dos terminales, si lo alimentamos con una batería
que tenga el voltaje igual que el motor (para no destruirlo) este comenzara a girar hacia
la izquierda o hacia la derecha, y si invertimos la polaridad como se muestra en la figura
anterior el motor girara en sentido contrario, aprovechando este fenómeno de los
motores DC construiremos el siguiente circuito:
Para el circuito anterior S1, S2, S3, S4 son suiches que podemos accionar
independientemente, el circuito puede estar en tres estados diferentes y uno que es
prohibido, los cuales son:
1. Todos los S abiertos: El motor queda automáticamente sin energía y se detiene.
2. S1 y S4 cerrados, S3 y S2 abiertos: El motor queda polarizado como se muestra en la
figura de la izquierda, positivo en el terminal de la izquierda y negativo en la derecha
así el motor comenzara a girar en un sentido.
3. S2 y S3 cerrados, S1 y S4 abiertos: En este caso el motor queda polarizado como se
muestra en la figura de la derecha, positivo en el terminal de la derecha y negativo en el
de la izquierda, esta polaridad es contraria a la anterior, así el motor comenzara a girar
en el otro sentido.
4. S1 y S2 cerrados o S3 y S4 cerrados: Esta es la posición prohibida ya que quedaría en
cortocircuito la fuente +Vcc con la tierra y podría destruir la fuente de alimentación o
los elementos que utilicemos como suiche.
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Teniendo en cuenta todas las consideraciones anteriores implementaremos este circuito
a baja potencia para ser utilizado en el control del motor de dirección del vehículo que
utilizaremos como plataforma.
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El circuito a continuación será utilizado para controlar el motor de tracción del vehículo,
este circuito presenta una gran diferencia con el anterior debido ala potencia que
necesita el motor, utilizaremos los transistores de mediana potencia el A715, D882 y un
preamplificador de corriente para los transistores de mediana potencia el transistor
2N3904.
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