Ejercicios prácticos con Electrónica

5.1 Conmutación de una corriente fuerte usando una más débil
Problema

Deseamos incorporar conmutadores digitales en nuestro proyecto para controlar el flujo de corriente eléctrica.

Solución

Usar un transistor BJT (Bipolar Junction Transistor, transistor de unión bipolar) de bajo coste.

Los transistores BJT, como el 2N3904, no cuestan más que unos céntimos y se suelen usar con una patilla de salida de microcontrolador en un Arduino o Raspberry Pi para aumentar la corriente que dicha patilla es capaz de controlar.

La Figura 5-1 muestra el esquema de un BJT junto con uno de los modelos más populares de este tipo de transistor, el 2N3904. El 2N3904 se muestra en un encapsulado TO-92, que es común a múltiples modelos de transistores de baja potencia.

El símbolo del transistor se suele mostrar con un círculo alrededor, pero en ocasiones se usa solo el símbolo.

Figura 5-1. Esquema de un transistor bipolar y el dispositivo real.

Los tres conectores del transistor que vemos en la Figura 5-1 son (de arriba a abajo):

• El colector (c): la corriente principal que se debe controlar fluye hacia el colector.

• La base (b): la conexión de control.

• El emisor (e): la corriente principal fluye a través del emisor.

La corriente principal que fluye hacia el colector y sale por el emisor se controla mediante una corriente mucho más pequeña que fluye hacia la base y sale, asimismo, del emisor. La razón entre la corriente de la base y la corriente del colector se denomina ganancia de corriente del transistor y suele estar entre 100 y 400. Así pues, para un transistor con una ganancia de 100, 1 mA de corriente que fluya de la base al emisor permitirá que una corriente de hasta 100 mA fluya del colector al emisor.

Análisis

Para apreciar rápidamente cómo se puede usar uno de estos transistores como interruptor, podemos construir el circuito mostrado en la Figura 5-2 usando el diseño de la placa de pruebas mostrado en la Figura 5-3. Para los primeros pasos con la placa de pruebas, vea el Ejercicio 20.1.

Figura 5-2. Esquema para experimentar con un transistor.

Cuando accionemos el pulsador (interruptor) se encenderá el LED. Aunque esto podría lograrse mucho más fácilmente con solo poner el interruptor en serie con el LED y con R2, lo importante aquí es que el interruptor suministra corriente al transistor a través de R1. Un cálculo rápido muestra que la corriente máxima que podría fluir a través de R1 y la base es:

En realidad, la corriente es inferior a esa cantidad porque estamos ignorando los 0,5 V de diferencia de potencial entre la base y el emisor del transistor. Si deseamos ser más precisos, la corriente real sería:

Figura 5-3. Diseño en una placa de pruebas para experimentar con un transistor.

Esta minúscula corriente que fluye a través de la base está controlando una corriente muy superior, asumiendo un voltaje Vf de LED de 1,8 V, de hasta:

Al igual que con un diodo, cuando el BJT está en uso habrá una caída de voltaje prácticamente constante de entre 0,5 y 1 V entre los conectores de la base y el emisor del transistor.

Limitar la corriente de la baseUna resistencia que limite la corriente que pueda fluir hacia la base del transistor (R1 en la Figura 5-2) resulta esencial porque, si el flujo de corriente a través de la base es muy intenso, el transistor se sobrecalentará y acabará quemándose.Como la base de un transistor solo requiere una pequeña corriente para controlar una muy superior, parece lógico pensar que la base posee de algún modo una resistencia al flujo de corriente. Esto no es así. Al contrario, la base absorberá una cantidad de corriente suficientemente grande como para inutilizarla tan pronto su voltaje supere los 0,6 V aproximadamente. Así pues, siempre hay que utilizar una resistencia base como la R1.

El BJT descrito anteriormente es el más común y es un transistor de tipo NPN (Negative-Positive-Negative, negativo-positivo-negativo). No es que el transistor sea indeciso de por sí, sino que está construido como una especie de bocadillo hecho con materiales semiconductores de tipo N (negativo) en el papel del pan, y de tipo P (positivo) como el contenido. Si el lector está interesado en saber qué significa esto y conocer los principios físicos subyacentes a los semiconductores, puede dirigirse a la siguiente página web https://en.wikipedia.org/wiki/Bipolar_junction_transistor.

El transistor PNP (Positive-Negative-Positive, positivo-negativo-positivo) es otro tipo de BJT, cuyo uso es menos habitual que el anterior. El relleno de este tipo de transistor es un semiconductor dopado negativamente. Lo que significa, podríamos decir, que todo está al revés. En la Figura 5-2 la carga (LED y resistencia) está conectada al polo positivo de la fuente de alimentación y conmutada a tierra por el polo negativo. Si fuéramos a utilizar un transistor PNP, el circuito se vería como el de la Figura 5-4. Para saber más acerca del uso de transistores PNP, vea el Ejercicio 11.2.

Figura 5-4. Uso de un transistor PNP.

Véase también

Si la ganancia de nuestro transistor no es suficiente, podríamos considerar el uso de uno de tipo Darlington (Ejercicio 5.2) o MOSFET (Ejercicio 5.3).

Si, por otro lado, necesitáramos conmutar una carga de alta potencia, deberíamos considerar el uso de un MOSFET de potencia (Ejercicio 5.3) o IGBT (Ejercicio 5.4).

Podemos encontrar la hoja de especificaciones del popular BJT 2N3904 en la dirección: http://www.farnell.com/datasheets/1686115.pdf.

5.2 Conmutación de una corriente con una corriente de control mínima
Problema

Necesitamos más ganancia de la que podemos obtener de un BJT para conmutar/interrumpir una corriente con otra corriente de control muy pequeña.

Solución

Utilizar un transistor Darlington.

Normalmente, un BJT ordinario solo tendrá una ganancia (relación entre la corriente de la base y la del colector) de 100. A menudo, esto será suficiente, pero en ocasiones se necesitará una ganancia superior. Una manera sencilla de lograr esto consiste en usar un transistor Darlington, que ofrece ganancias típicas de 10 000 o más.

Un transistor Darlington está formado en realidad por dos BJT ordinarios contenidos en un único encapsulado (Figura 5-5). En la figura se muestran dos transistores Darlington habituales junto con su símbolo de circuito. El más pequeño es el MPSA14, y el más grande, el TIP120. Vea el Ejercicio 5.5 para más información sobre estos transistores.

Figura 5-5. Transistores Darlington.

La ganancia global de corriente del par de transistores conectados de este modo resulta de multiplicar la ganancia del primer transistor por la ganancia del segundo. Es fácil ver que esto es debido a que la base del segundo transistor recibe la corriente del colector del primero.

Análisis

Aunque podemos utilizar un transistor Darlington en nuestros diseños como si fuera un único transistor BJT, un efecto de situar los transistores así es que ahora hay dos caídas de voltaje entre base y emisor. Un Darlington se comporta como un transistor BJT NPN ordinario con una ganancia extremadamente alta, pero con una caída de voltaje base-emisor que duplica la de un BJT estándar.

Un transistor Darlington muy popular es el TIP120, que también es un dispositivo de alta potencia que puede manejar una corriente en colector de hasta 5 A.

Véase también

Podemos encontrar la hoja de especificaciones del TIP120 en la dirección: http://bit.ly/2mHBQy6, y la del MPSA14, en: http://bit.ly/2mI1vXF.

5.3 Cómo conmutar grandes cargas de corriente con eficiencia
Problema

Necesitamos conmutar cargas realmente grandes y ruidosas, como las que podemos encontrar en motores, y tenemos que hacerlo con eficiencia y sin producir grandes cantidades de calor.

Solución

Usar un transistor MOSFET.

Un MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor, transistor de efecto campo de metal-óxido semiconductor) no tiene las partes habituales de un BJT (colector, base y emisor), sino que está formado por: drenador (drain), puerta (gate) y fuente (source). Al igual que los BJT, los MOSFET se presentan en dos configuraciones: de canal N y de canal P. El más usado es el de canal N y será el que describamos en este ejercicio. La Figura 5-6 muestra el esquema simbólico de un MOSFET de canal N junto con dos transistores MOSFET comunes. El transistor más grande, con encapsulado TO-220, es un transistor FQP30N06 capaz de conmutar hasta 30 A a 60 V. El agujero en el encapsulado TO-220 se utiliza para atornillar un disipador de calor, que solo es necesario cuando se conmutan grandes corrientes. El pequeño transistor de la derecha es el 2N7000, útil para 500 mA a 60 V.

Figura 5-6. Varios transistores MOSFET.

En lugar de multiplicar una corriente igual que hace un BJT, en un MOSFET no hay conexión eléctrica entre la puerta y el resto de conexiones. La puerta está separada del resto de conexiones por una capa aislante. Si la tensión puerta-drenador supera el voltaje umbral del MOSFET, este se vuelve conductor y deja pasar un gran flujo de corriente entre las conexiones del drenador y la fuente. Este voltaje umbral suele variar entre 2 y 10 V. Los MOSFET diseñados para funcionar con salidas digitales desde un microcontrolador, como un Arduino o un Raspberry Pi, se denominan MOSFET de nivel lógico y garantizan que su voltaje umbral en puerta será inferior a 3 V.

Si consultamos la hoja de especificaciones de un MOSFET, veremos que especifica unas resistencias de encendido (on) y apagado (off) para el transistor. Una resistencia de encendido podría ser tan pequeña como unos pocos mΩ, mientras que la de apagado podría ser tan grande como varios MΩ. Esto significa que los MOSFET pueden conmutar corrientes muy superiores a los BJT antes de empezar a calentarse.

Podemos calcular la potencia en forma de disipación de calor generada por el MOSFET usando el flujo de corriente que lo atraviesa, junto con su resistencia de encendido, mediante la fórmula:

P = I²R_on

Para más información sobre potencia, vea el Ejercicio 1.6.

Análisis

El esquema y el diseño sobre la placa de pruebas usados en el Ejercicio 5.1 necesita unos pequeños cambios antes de poder usarlo para experimentar con un MOSFET. La resistencia variable se utiliza ahora para llevar el voltaje en puerta desde 0 V hasta el de la batería. El esquema y el diseño en la placa de pruebas revisados se pueden consultar en las Figuras 5-7 y 5-8, respectivamente.

Figura 5-7. Esquema para experimentar con un MOSFET.

Figura 5-8. Diseño en una placa de pruebas para experimentar con un MOSFET.

Con el control del potenciómetro situado en el valor de 0 V, el LED no se encenderá. A medida que se incrementa el voltaje en puerta hasta los 2 V, el LED comenzará a brillar y, cuando alcance los 2,5 V, debería estar completamente encendido.

Pruebe a desconectar el extremo del cable que va hacia el control del potenciómetro y rócelo con el polo positivo de la batería. Esto debería encender el LED, estado en el que debería quedarse incluso después de retirar el cable que conecta la puerta con el polo positivo. Esto sucede porque queda suficiente carga en la puerta del MOSFET para mantener su voltaje en puerta por encima del umbral. Tan pronto como llevemos la puerta a tierra, la carga se dirigirá hacia allí y el LED se apagará.

Como los MOSFET son dispositivos controlados por el voltaje en lugar de por la corriente, podría sorprendernos saber que, en algunas circunstancias, debemos tener en cuenta la corriente que fluye hacia la puerta. Esto sucede porque la puerta actúa como uno de los terminales de un condensador. Este condensador se debe cargar y descargar, así que, cuando recibe pulsos de alta frecuencia, la corriente en puerta puede llegar a ser bastante significativa. Usar una resistencia limitadora de corriente en la puerta evitaría un flujo de corriente excesivo.

Otra diferencia entre usar un MOSFET y un BJT es que, si dejamos flotar la conexión de la puerta, el MOSFET podría encenderse de forma inesperada. Esto se puede evitar conectando una resistencia entre la puerta y la fuente del MOSFET.

Véase también

Para usar un MOSFET con la salida de un microcontrolador, vea el Ejercicio 11.3. Para usar un MOSFET como protección de la polaridad, vea el Ejercicio 7.17.

Para los cambios de nivel usando un MOSFET, vea el Ejercicio 10.17. Para aprender cómo usar disipadores de calor, vea el Ejercicio 20.7.

5.4 Cómo conmutar voltajes muy grandes
Problema

Necesitamos mucha más potencia.

Solución

Los transistores IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor, transistor bipolar de puerta aislada) son un tipo exótico de transistor empleado como interruptor en aplicaciones de alta tensión y alta potencia. Ofrecen una conmutación rápida y, generalmente, están muy afinados para el voltaje operacional. No es raro verlos conmutar voltajes de hasta 1000 V.

Mientras que las partes de un NJT son colector, base y emisor, y las de un MOSFET, drenador, puerta y fuente, un IGBT combina ambos y posee colector, puerta y emisor. La Figura 5-9 muestra el símbolo esquemático de un IGBT junto con dos IGBT reales. El más pequeño de los dos (STGF3NC120HD) es capaz de conmutar 7 A a 1,2 kV. Por su parte, el mayor (IRG4PC30UPBF) puede conmutar hasta 23 A a 600 V.

Figura 5-9. Símbolo esquemático de un IGBT junto con dos IGBT reales.

Análisis

Los IGBT son dispositivos controlados por voltaje, igual que los MOSFET, pero la parte del interruptor funciona igual que en un BJT. La puerta de un IGBT tendrá un voltaje umbral como la de cualquier MOSFET.

Los IGBT se utilizan a veces como MOSFET de alta potencia, pero tienen la ventaja de ser capaces de interrumpir voltajes mayores con corrientes igual de grandes.

Véase también

Para más información sobre los BJT, vea el Ejercicio 5.1 ‚y para los MOSFETS, vea el Ejercicio 5.3.

Podemos encontrar la hoja de especificaciones del STGF3NC120HD en la dirección: http://bit.ly/2msNM6v. La hoja de especificaciones del IRG4PC30UPBF está en: http://bit.ly/2msXTb9.

5.5 Cómo seleccionar el transistor apropiado
Problema

Con tantos transistores entre los que elegir, ¿cómo daremos con el adecuado?

Solución

Nos ceñiremos a un conjunto básico de transistores, útiles para la mayoría de las aplicaciones, a menos que nuestros requerimientos sean inusuales. En tal caso, buscaremos algo que se ajuste a nuestras necesidades.

Un conjunto aceptable de transistores de propósito general se muestra en la Tabla 5-1.

Tabla 5-1. Un conjunto útil de transistores.

Cuando vaya a adquirir un FQP30N06L, asegúrese de que el MOSFET es la versión "L" (Logic, lógico), lo que se puede saber por la "L" final del código. En caso contrario, podría resultar que el requisito de voltaje umbral en puerta fuese demasiado elevado para conectar la puerta del transistor a la salida de un microcontrolador, en particular si está operando a 3,3 V.

El MPSA14 es un dispositivo casi universal muy útil para corrientes de hasta 1 A, si bien en dicha corriente la caída de voltaje es de casi 3 V y el dispositivo alcanza una temperatura de casi 120 °C. A 500 mA, la caída de voltaje se sitúa en unos más razonables 1,8 V, y la temperatura, en los 60 °C.

Resumiendo, si solo necesitamos conmutar alrededor de 100 mA, nos bastará con un 2N3904. Si necesitamos hasta 500 mA, usaremos un MPSA14. Por encima de estos valores, el FQP30N06L es probablemente la mejor opción, salvo que el precio sea un problema, porque el TIP120 es considerablemente más barato.

Hojas de especificaciones de los transistores

Cuando estamos diseñando un circuito, necesitamos saber con exactitud cuál será el comportamiento del componente antes de empezar a experimentar con él.

Todos los componentes tienen sus hojas de especificaciones correspondientes, que como mínimo indican sus valores máximos absolutos. Esta información nos dice exactamente qué debemos hacer si deseamos arruinar el componente.

Por ejemplo, si observamos la hoja de especificaciones para el transistor 2N3904, veremos una sección llamada valores máximos absolutos, que ofrece la información recogida en la Tabla 5-2.

Tabla 5-2. Valores absolutos máximos del 2N3904 (Absolute Maximum Ratings)

Mientras nos mantengamos por debajo de estos límites, la hoja de especificaciones nos garantiza que el dispositivo funcionará bien. Ahora bien, siempre es buena idea excedernos por el lado de la precaución.

Las hojas de especificaciones incluyen una sección denominada "Características eléctricas", que nos indica cómo funcionará el dispositivo en circunstancias normales. En el caso de un transistor, la característica que más nos importa es la ganancia en corriente continua (DC gain). La hoja de especificaciones del 2N3904 muestra una ganancia CC que detallamos en la Tabla 5-3.

Tabla 5-3. Ganancia en corriente continua (CC) del 2N3904.

Esto nos indica que, a 10 mA, la ganancia mínima que podemos esperar es de 100. Es decir, con una corriente en el colector de 10 mA, solo necesitaremos una corriente de 0,1 mA en la base. Observe cómo este valor cae hasta 30 con 100 mA de corriente en el colector. Esto implica que necesitaremos una corriente en la base de 3.33 mA.

En realidad, la ganancia podría ser muy superior a esto, pero no deberíamos darlo por hecho para nuestros diseños, o podría ocurrir que todo funcionara gracias a las características concretas de un transistor en particular. Esto quiere decir que el diseño podría no funcionar si otra persona lo reproduce usando el mismo modelo de transistor, pero procedente de un proceso de fabricación distinto.

Análisis

Entre las razones para no usar los transistores listados en la Tabla 5-1 se cuentan:

1. La necesidad de conmutar a grandes frecuencias. Buscaremos BJT o FET descritos como RF.

2. La necesidad de conmutar grandes voltajes. Hay disponibles transistores BJT y MOSFET para voltajes muy altos (hasta 400 V), así como IGBT para voltajes todavía superiores.

3. Con corrientes altas, los MOSFET sufren demasiado. Debemos buscar componentes con la menor resistencia posible al flujo de corriente, ya que sobre todo esta característica definirá el calentamiento del componente, así como la cantidad de corriente que puede manejar antes de fallar.

Véase también

Para información acerca de los BJT, vea el Ejercicio 5.1, para los MOSFET, el Ejercicio 5.3, y para los IGBT, el Ejercicio 5.4.

Para saber cómo decidir qué transistor usar para la conmutación con un Arduino o un Raspberry Pi, vea el Ejercicio 11.5.

En cuanto llevamos un transistor más allá de una carga suave, vemos cómo empieza a calentarse. Si se calienta demasiado, podría quemarse y quedar inutilizado de forma permanente. Para evitar esto, o bien usamos un transistor con mayor capacidad de manejo de corriente, o bien le añadimos un disipador de calor (vea el Ejercicio 20.7).