LECCIÓN Nº 1
TRANSISTORES
EN CIRCUITOS DE AUDIO - POLARIZACIÓN EN CLASE A - AMPLIFICACIÓN SATURACIÓN Y CORTE - EN CIRCUITOS DE CONMUTACIÓN - INVERSIÓN DE PULSOS Y PULSOS EN FASE CON NPN Y PNP - ESTADOS DE SATURACIÓN Y CORTE NETOS - MONTAJE DÁRLINGTON - BATERÍAS DE GEL Y PLOMO ÁCIDO - CARGADORES DE BATERÍAS - RÉGIMEN DE CARGA.
Los transistores tienen una multiplicidad de aplicaciones en todo circuito electrónico, desde las etapas de R.F. de un simple receptor hasta la salida de audio de un poderoso amplificador de cientos de Watts encontramos transistores de todo tipo y potencia en infinidad de equipos.
No es nuestra intención abundar sobre éste tema que ya ha sido estudiado en nuestros cursos de transistores ya sean de Radio, Televisión y Televisión color, pero en el caso de Electrónica Digital su comportamiento y polarización son algo distinto y creemos necesario dedicar un espacio a éste tema repasar algunos conceptos importantes y poder apreciar las diferencias entre su uso en amplificadores y en circuitos sometidos a conmutaciones rápidas y estados absolutos (corte ó saturación) como es el caso de los digitales.
TRANSISTOR COMO AMPLIFICADOR DE SEÑALES DE AUDIO
Veamos a continuación como se desempeña un transistor polarizado convenientemente, como amplificador de señales de audio en clase A o sea que trabaja en la parte lineal de su curva característica. figura 1
Observamos que la polarización de base y emisor es tal que en colector tenemos la mitad de la tensión de fuente en condiciones de reposo, es decir sin señal de entrada aplicada a su base.
Esto nos indica que el transistor está conduciendo permanentemente. Ahora bien, al aplicar una señal de alterna en su base, la onda de salida en colector, varía en amplitud en forma proporcional a la amplitud de la señal que aplicamos en su base y queda desfasada en 180 grados con respecto a la misma.
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Esto sucede del siguiente modo: El medio ciclo positivo de la señal de entrada torna más positiva la base pues se suma a la tensión de polarización existente. Al ser la base mas positiva aumenta la corriente de colector- emisor, en consecuencia hay una mayor caída de potencial en la resistencia de carga de colector y la tensión en el mismo se reduce, dando lugar a la formación de un medio ciclo negativo.
Cuando actúa el medio ciclo negativo de la señal en base, se produce el efecto inverso, es decir, ahora la base disminuye su polarización pues en éste caso se resta, en consecuencia también disminuye la corriente de colector - emisor, dando lugar a una menor caída de potencial en la resistencia de carga de colector, por consiguiente aumenta la tensión en el mismo y de éste modo se forma el medio ciclo positivo.
Al estar el colector a un potencial igual a la mitad de la tensión de fuente, es fácil deducir que ambos medio ciclos de la señal de salida tendrán la misma amplitud y en el caso de una saturación por señal de elevada magnitud en base, el ciclo completo saldrá con sus dos crestas achatadas en igual proporción. Naturalmente, estamos considerando a la señal de entrada como una sinusoide perfecta, si en cambio llega con alguna deformación, también saldrá por colector con la misma deformación aunque de mayor amplitud. Lo dicho lo observamos en la figura 2.
Ahora veremos un caso similar en un transistor que está polarizado con la base menos positiva que el anterior, es decir, hacia el lado del corte en su curva característica, pero aún dentro de la porción recta. En éste caso supongamos que la corriente de reposo (sin señal en base) hace que la tensión en colector sea de 9 V, con la misma fuente de 12 V. Ver figura 3
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Como vemos en éste caso, al aplicar una señal en base de suficiente amplitud para no saturar el transistor, conseguimos una señal de salida de menor valor PP (pico a pico) ; si incrementamos la entrada, el semiciclo positivo de salida se deforma achatándose, mientras que el negativo sigue creciendo todavía 6 V más hacia el 0 V. Ver figura 4.
Por último veamos que sucede en el caso inverso en que la base es más positiva que lo debido, por lo tanto nos desplazamos en la curva hacia el lado de la saturación, pero aún en la porción lineal. Ver figura 5.
Como vemos éste es un caso igual al anterior pero a la inversa, pues al ser la base mas positiva aumenta la corriente de colector-emisor y desciende la tensión de colector como ya hemos dicho.
Ahora el semiciclo negativo llega rápidamente al corte porque solo hay 3 V de diferencia entre la corriente de reposo y el 0, en cambio el positivo crece 9V hasta alcanzar el nivel de la tensión de fuente
Digamos que si se incrementa mas la señal de base, también se achata éste semiciclo debido a que además de estar mal polarizado, es muy elevada la señal de la entrada.
Las magnitudes de la señal de salida se han tomado a los fines de información pues en realidad en la práctica los valores de pico no son absolutos, es decir que el semiciclo positivo no llega a 12 V y el negativo no desciende hasta cero aunque están cerca de ello.
LOS TRANSISTORES EN CIRCUITOS DE CONMUTACIÓN
Bien sabemos que la técnica digital está basada en dos estados lógicos absolutos, que podemos definir como afirmación y negación, todo o nada, abierto o cerrado, y eléctricamente, positivo
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total, (alto) o negativo general (bajo), éstas últimas definiciones son las que se adoptan en ésta técnica y su notación es Positivo (nivel alto) = 1 (uno) y Negativo (nivel bajo) = 0 (cero) y éste es el lenguaje que emplearemos.
Cabe destacar que en el desarrollo de circuitos digitales en algunos puntos del mismo los niveles no son absolutos, pero siempre se dará una gran diferencia entre un 1 y un 0, de hecho los circuitos se diseñan de forma que un nivel próximo al 0 se tome como 0 y otro cercano al 1, como 1.
Un circuito de conmutación es aquel en el cual el voltaje de salida se desplaza bruscamente de uno a otro extremo (de positivo a negativo y viceversa) cuando se aplica a la entrada una señal digital.
Los transistores a utilizar en éstos casos deben tener la suficiente ganancia para que la onda cuadrada aplicada en su entrada no sufra ninguna deformación en la salida, o sea que conserve perfecta simetría y sus flancos ascendente y descendente se mantengan bien verticales.
Normalmente todos los transistores de silicio de usos generales que se encuentran en plaza son de elevada ganancia para ser usados en circuitos de conmutación, solo hay que polarizarlos adecuadamente para aprovechar al máximo sus características y no sobrecargarlos a fin de evitar su calentamiento y posible destrucción. Según la corriente y la tensión que se deba manejar, siempre habrá un transistor adecuado.
La corriente máxima que puede circular de colector a emisor está limitada por la tensión de polarización de base y el resistor o la carga de colector.
Veamos a continuación un ejemplo de polarización de un transistor NPN de usos generales tipo BC547.
Según los manuales, éste transistor soporta una tensión base-colector (Ucbo) de 50 V, y una corriente máxima de colector (Ic) de 100 ma (0,1 A), los demás datos no interesan en éste caso.
Como nosotros lo vamos a utilizar con una fuente de 12 V y una corriente muy inferior, diremos que éste transistor es apropiado.
En la figura 6 vemos éste transistor con un resistor de carga de 2,2 K en su circuito de colector; digamos de paso que la expresión resistor ó resistencia que estamos empleando indistintamente, se refiere al mismo componente y es habitual emplear cualquiera de ellas.
La base del mismo está conectada a través de un resistor de 10 K a la salida de un separador inversor que bien podría ser uno de los seis que componen el circuito integrado CMOS, CD4069.
El emisor está conectado a masa, o sea emisor común; recordemos que ésta denominación se refiere a que, conectado de ésta manera, éste terminal es común a la señal de base y de colector.
Puede observarse que la base solo se polariza cuando aparece la señal digital en la salida del separador, y lo hace abruptamente, es decir, de estar a un potencial 0 (masa) pasa a potencial 1 (fuente).
Mientras el separador permanece en nivel bajo (0), no existe corriente de base y por lo tanto el transistor está al corte - no hay corriente de colector.
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Cuando el separador cambia de estado y pasa al nivel alto (1), la base se polariza positivamente y el transistor se satura instantáneamente, pasando a conducir la máxima intensidad que le permite su resistencia de carga. Veamos que está sucediendo en el transistor de acuerdo a ésta polarización. Aplicando la ley de Ohm vemos que dicha corriente es la siguiente.
E 12  I = = = 0,0054 A = 5,4 ma R 2200 |
Redondeando la cifra diremos 5 ma. Hemos despreciado el pequeño remanente de tensión que queda en el colector cuando está saturado, que suele ser menor que 0,1 V ya que no afecta el resultado final. Ahora veamos cual es la corriente de base de acuerdo al resistor de 10 K que la polariza.
También en éste caso despreciaremos la resistencia interna que ofrece la juntura base- emisor, que dadas las tensiones con que estamos operando es de unos pocos cientos de Ohm, y al quedar en serie con 10 K no es significativa. Igual que en el caso anterior:
E 12 I = -------- = ------------- = 0,0012 A = 1,2 ma R 10000 |
Redondeando la cifra diremos 1 ma. De acuerdo a éstos números, la corriente total colector-emisor es de 6,6 ma, ya que debe sumarse la corriente de base aunque en la práctica puede despreciarse cuando los valores son muy bajos.
Si queremos saber cual es la resistencia interna aparente base-emisor, nuevamente aplicamos la ley de Ohm y obtenemos:
E 0,7 R = --------- = ---------------- = 583 ohm I 0,0012 |
El valor de tensión que se toma es el que corresponde a la caída en la juntura, que en la realidad varía entre 0,6 y 0,7 V. Recordemos de paso que las expresiones de R - E - I en las fórmulas, están dadas por Resistencia en Ohm - Tensión en Volt - Intensidad en Amper. Luego se reducen según la necesidad a K Ohm (Ohm X 1.000) - mv (milivolt) - ma (miliamper) etc.
De haber querido "hilar fino" en los cálculos de la corriente de base, podríamos optar por alguno de los métodos siguientes. Sumar la resistencia aparente de la juntura base-emisor a la de 10 K con lo que entonces obtenemos:
12 ------------ = 0,0011 A = 1,1 ma 10583 |
O bien restar la caída de 0,7 V a los 12 V que entrega el inversor y por lo tanto sería:
11,3 ----------- = 0,0011 A = 1,1 ma 10000 |
Como vemos el resultado es el mismo, y la pequeña diferencia que existe al hacerlo sin considerar la caída de la juntura, es totalmente despreciable.
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De todos modos para lograr una corriente de colector de 5 ma, partiendo de 1 ma en el circuito de base, se necesita un transistor cuya ganancia de corriente (Beta ó Hfe) sea como mínimo igual a 5 (ganancia = Ic / Ib), naturalmente todos los transistores tienen una ganancia muy superior; en el caso del BC547 está entre 100 y 300, por lo tanto para ésta corriente de colector podríamos lograr la saturación efectiva con menor corriente en base, pero siempre es mejor trabajar con holgura, por supuesto dentro de los límites permitidos.
Observe que la señal de salida en colector (Fig. 6) tiene la fase invertida con respecto a la entrada; si necesitáramos la fase original se puede conectar el mismo transistor como seguidor emisivo, con los mismos componentes, entonces el circuito quedaría así: Figura 7
En éste caso la tensión de salida del nivel alto, se verá reducida en 0,7 V debido a la caída que introduce la juntura base - emisor del transistor como ya hemos visto, y que a consecuencia de no estar conectado directamente a masa sino a través de la resistencia de carga, se hace presente también entre colector y emisor.
Todo lo expuesto está basado en la situación que el separador entrega un pulso de salida alto (1) y que el estado de reposo del mismo es un nivel bajo (0), si la condición fuera la inversa, es decir reposo en 1 y pulso de nivel 0 podemos usar en igual forma un transistor PNP, por ejemplo el BC557 que es complementario del BC547, para conseguir idénticos resultados. Fig. 8, A - B
Resumiendo: Si la señal o pulsos que entrega el separador son de nivel alto, es decir transición de 0 a 1, se usará un transistor NPN, si fueran de nivel bajo, transición de 1 a 0, usaremos un transistor PNP.
Lo expuesto está referido a situaciones que se presentan algunas veces en circuitos digitales donde se hace necesario el uso de transistores para acoplar las salidas de circuitos integrados con otros elementos como ya veremos mas adelante, pero generalmente si los integrados son de la misma familia, por ejemplo CMOS, las conexiones entre ellos se hacen en forma directa (salida de uno con la entrada de otro unidas), en cambio se hace necesario el uso de un transistor, si tenemos que conectar la salida de un integrado CMOS a otro de la familia TTL, como ya estudiaremos.
También hay casos donde se necesita que el transistor esté conduciendo permanentemente, es decir en estado de saturación, y que pase al corte ante la presencia del pulso, esto sería lo inverso de lo visto en las figuras 6, 7 y 8; es fácil deducir que para lograr éste resultado los circuitos de las figuras quedan como están y solo se reemplazan los transistores por los opuestos, o sea donde hay un NPN se conecta un PNP o viceversa.
Sería lo mismo que si en éstas figuras, la polaridad del pulso que entrega el separador fuera de nivel contrario al del gráfico, de éste modo los transistores conducirían permanentemente y pasarían al corte cuando se presenta el pulso.
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Observe que en B de la figura 8 también se presenta una caída de 0,7 V al igual que lo visto en la figura 7, lo que significa que los transistores conectados como seguidor emisivo introducen dicha caída sean PNP ó NPN indistintamente.
ESTADOS DE SATURACIÓN Y CORTE NETOS
A continuación vamos a repasar brevemente los conceptos básicos sobre polarización de los transistores de silicio para lograr una saturación efectiva y también mantenerlos al corte con seguridad. Como hubo algunos alumnos de otros cursos que no tenían muy claro éstos conceptos, nos parece importante recrear nuevamente éste tema.
Un transistor NPN recibe en su colector el +B de la fuente en todos los casos, ya sea directamente si está conectado como seguidor emisivo (Fig.7) o a través de la carga, que puede ser una resistencia (Fig.6), un diodo led con su correspondiente resistencia de limitación, la bobina de un relé etc.
Salvo en el caso del seguidor emisivo, el emisor se conecta directamente a masa.
EL ESTADO DE CONDUCCIÓN SE LOGRA CUANDO LA BASE SE TORNA POSITIVA CON RESPECTO AL EMISOR EN 0,6 A 0,7 V, ésta magnitud varía un poco entre las diferentes partidas de transistores pero no es significativa como para tomar en cuenta.
La medición con un tester se efectúa entre masa (punta negra) y base (punta roja).
Si bien entra en conducción, esto no significa que esté saturado, pues la corriente de base puede ser insuficiente; recién diremos que está saturado cuando la antedicha corriente de base adquiere
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tal magnitud que la tensión de colector se reduce a cero o un valor muy cercano.
Algunas veces se necesita una alta corriente de colector porque la carga aplicada al mismo así lo requiere; tomemos por ejemplo un relé cuya bobina tiene una resistencia de 50 Ohm, y que debe comandarse mediante un transistor desde una fuente de 12 V, como el caso de los ejemplos anteriores.
En éste caso se toma el bobinado como resistencia pura, porque trabaja en corriente continua; si fuera en corriente alternada, se tomaría el valor de reactancia inductiva (XL), que varía según la frecuencia, pero que siempre es mucho mayor. Veamos que consumo tiene éste relé, sabiendo que todo ha de circular a través del transistor que utilicemos para su gobierno.
Los cálculos son los mismos que los efectuados para la figura 6, o sea:
I 12 E = ------- = --------- = 0,240 A Lo que es igual a 240 ma R 50 |
Por de pronto ya no podemos utilizar el BC547, cuya corriente máxima admisible es de 100 ma, pero podemos sustituirlo por un BC337 que tiene un máximo de 800 ma.
Siempre es conveniente no superar el 50% de la corriente que entregan los transistores, ya que éstos valores son dados como límite y en condiciones de corta duración.
En el caso que nos ocupa, 240 ma es un valor que soporta sin dificultad un BC337. Ahora bien, si la señal que aplicamos a su base, tiene la suficiente amplitud (tensión) y suficiente intensidad (amper), no habrá dificultad y la corriente de base también será suficiente para saturar el transistor, que conmutará en forma efectiva el relé.
Pero puede suceder que dicha señal tenga buena amplitud pero de baja intensidad, y por más reducida que sea la resistencia de base que conectemos no se pueda lograr la saturación plena y en cambio se produzca una sobrecarga en el componente que entrega ésta señal. Esto requiere una solución que en realidad es simple.
Se utiliza además del BC337, otro transistor NPN que puede ser de baja potencia, por ejemplo el BC547 y se los monta en Dárlington.
Bien, como no se puede lograr la conducción plena del BC337 porque la señal es débil y la corriente de base del mismo la absorbe casi totalmente sin llegar a saturarlo plenamente, esto quiere decir que hay que lograr previamente una ganancia en corriente y ésta corriente aplicarla a la base del BC337; esto es lo que se logra con el montaje Dárlington. Figura 9.
En éste circuito el transistor BC337 es el que recibe la carga del relé y el BC547 solamente soporta la corriente de base del BC337, que por alta que sea es de unos pocos ma, además la ganancia se multiplica sin cargar la salida del componente que entrega la señal ya que ahora la corriente que suministra el 547 es tomada de la misma fuente y aplicada a la base del 337.
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De éste modo la resistencia de base del 547 puede ser elevada ya que necesitamos una corriente mucho menor en la misma.
Supongamos que la ganancia (Beta ó Hfe) de cada transistor sea de 100; al montarlos en Dárlington la ganancia total pasa a ser igual a 100 X 100 o sea de 10.000 veces, lo que significa que una corriente de base de tan solo 0,000040 A (40 microamper) en la base del BC547, se traduce en una magnitud de 0,400A (400 miliamper) de corriente de colector en el BC337,(0,000040X10.000),con lo que se logra la ganancia más que suficiente para el buen funcionamiento de la carga, en éste caso el relé.
Diremos que en plaza existen transistores Dárlington ya encapsulados en una sola unidad, y de distintas potencias, aunque el montaje descripto no ofrece dificultad y generalmente es mas económico.
BATERÍAS
En determinadas ocasiones es necesario emplear una batería en el equipo, tal el caso de una central de alarma, y no sería razonable el uso de dos fuentes de alimentación, una para la central y otra para cargar la batería;lo que se hace es adaptar la fuente para que cumpla las dos funciones sin dificultad
Antes de entrar en los detalles de la fuente, vamos a analizar brevemente las características de los dos tipos de baterías más comúnmente usadas.
Nos referimos concretamente a las comunes, denominadas de plomo-ácido y las de gel.
Ambas poseen compartimientos donde se alojan las placas de plomo y los separadores correspondientes y la diferencia entre ellas consiste en el electrolito utilizado. Se denomina electrolito al líquido que se emplea para llenar cada compartimiento y que debe ser suficiente para cubrir y sobrepasar un centímetro las placas, sin llegar al llenado total. El electrolito citado, se trata de ácido sulfúrico, el cual es muy corrosivo por lo que hay que tener cuidado en su manipulación.
En los procesos de carga y descarga el ácido tiene acción de electrólisis y libera hidrógeno y oxigeno lo que equivale a una pérdida de su volumen, o sea que se reduce la cantidad en los compartimientos (celdas) . Esto es así porque la liberación de Hidrógeno y oxígeno equivale a agua pura (H2O), por éste motivo hay que agregar periódicamente agua destilada para cubrir nuevamente las placas y normalizar la densidad del ácido. En las baterías de gel esto no ocurre porque el ácido ha sido combinado con otros compuestos químicos y no se encuentra en estado líquido sino gelificado; sería algo parecido a una miel espesa. Como en éstas no hay que reponer agua, se las denomina sin mantenimiento.
Cada celda, o compartimiento de las placas, tiene una diferencia de potencial de 2 Volt y se conectan en serie para lograr la tensión nominal de la batería, así para una de 6 V, hay tres celdas unidas en serie, y para 12 V, 6 celdas. El Amperaje ó cantidad de energía que puede almacenar lo da la superficie total de las placas, lo que en definitiva forma el tamaño de la batería. Así es que una batería de 12 V X 60 A , tiene la mitad del tamaño de otra de 12 V X 120 A.
PROCESO DE CARGA
Hemos dicho que cada celda tiene una tensión nominal de 2 V, lo que significa que una vez terminada su construcción y puesto el ácido en sus celdas, se produce inmediatamente una reacción química que las lleva a éste potencial, sin embargo se debe considerar descargada, porque si bien obtenemos los 12 V, el amperaje que se dispone es muy escaso.
Cuando se somete a carga, cada celda comienza a elevar su tensión a medida que va acumulando amperes. Se dice que una celda está plenamente cargada cuando su tensión llega a los 2,4 V, pero cuidado, ésta es la tensión límite que soporta, más allá, comienza su degradación.
La carga que consideramos ideal es cuando la celda adquiere 2,3 V, lo que significa que en una batería de 12 V, la carga estará a pleno cuando la tensión entre bornes sea de 13,8 V, (6 X 2,3) y en una de 6 V , 6,9 V , (3 X 2,3). De todos modos en la práctica una batería que supere los 13 V podemos considerarla cargada. Estos valores se dan mientras la batería esté conectada con el cargador, luego al desconectarla, la tensión cae 1 Volt aproximadamente porque siempre trata de ubicarse en su tensión nominal.
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Si pretendemos "tratar bien" a una batería, no se debe superar el régimen de carga más allá del 10% de la capacidad de la misma en las de plomo-ácido, y del 5% en las de gel; por ejemplo una batería comúnmente usada en centrales de alarma tiene una capacidad de 7 A, por lo tanto si es de plomo-ácido debe cargarse a un régimen máximo de 700 ma, y si es de gel, a 350 ma. De éste modo la batería estará cargada a pleno en 10 horas y 20 horas respectivamente. Este tiempo es aproximado, porque existe un valor de resistencia interna de la batería que varía con la antigüedad y que tiende a descargarla naturalmente, aunque muy lentamente. Si el régimen de carga es menor, igual se llegará a la plenitud, simplemente tardará más tiempo.
FUENTE REGULADA Y CARGADOR DE BATERÍA
En la figura 10 representamos el esquema de una fuente que ha sido preparada para alimentar un equipo de 12 V y a la vez mantener en carga una batería también de 12 V.
El transformador elegido posee un secundario de 15 V, lo que da una tensión rectificada y filtrada de 19,75 V , que es aplicada a la entrada del regulador 7812. La salida del mismo se conecta con el borne positivo de una batería de 12 V 7 A a través de una resistencia de 1 ohm y 1 watt de disipación que limita la corriente de carga. De éste punto se toma la alimentación del equipo a través de un diodo que cumple dos funciones. Una de ellas es reducir la tensión en 0,7 V a fin de no sobrepasar los 13 V en el circuito, y la otra es como protección del equipo en caso que por error se conecte la batería con la polaridad invertida.
Efectivamente si esto pasara no habrá circulación de corriente porque como ya sabemos un diodo solo conduce con positivo en el ánodo. De no ponerlo, una situación de éstas puede llegar a destruir circuitos integrados y otros componentes del equipo que no soportan una alimentación con la polaridad invertida. Dicho diodo puede ser un 1N4007 o similar para 1A o más.
El terminal central de todos los reguladores, pertenece a la referencia interna del mismo y siempre se conecta a masa directo para obtener la salida correspondiente indicada por el componente, pero en ciertas ocasiones, como es éste caso, necesitamos una tensión un poco mayor.
Como vemos esto se consigue fácilmente elevando el potencial de la referencia mediante el uso de diodos. Cada diodo introduce una caída de 0,7 V que se verá reflejada en un aumento igual en la tensión de salida, por ello es que usamos dos en serie, para lograr un aumento de 1,4 V.
Podríamos haber utilizado tres, pero en ese caso la salida se eleva a 14,1 V, y si bien todavía estamos dentro de los parámetros de carga de una batería de 12 V, preferimos no trabajar tan al límite.
Como la corriente que drena la referencia es de baja intensidad, pueden utilizarse diodos corrientes de usos generales como son los 1N4148 ó 1N914 que soportan hasta 50 ma.
Este tipo de cargador se denomina "cargador a flote" por sus características, ya que al principio de la carga la corriente es elevada, pero dentro de los límites permitidos, y luego disminuye en las cercanías de los 13,4 V, para finalmente quedarse "flotando" en ésta tensión, con lo cual tenemos la seguridad de no sobrecargar nunca la batería, la que puede estar conectada permanentemente.