SEP
SES
INSTITUTO TECNOLÓGICO DE LEÓN INGENIERÍA ELECTROMECÁNICA
Prof. Miguel Rosales Ciceña
Alumnos:
Raúl Contreras Barrón
Jorgue Guerrero Michel
Fernando Cruz Zárate
Héctor I. Padilla García
4° SEMESTRE
Grupo: 3101
Periodo: Ene-Jun 2012
Horario: Mar-Jue 8:45-10:35 Mier 14:00-14:50
REPORTE DE PRÁCTICA 4 EL TRANSISTOR BJT COMO INTERRUPTOR
PRÁCTICA 4 EL TRANSISTOR BJT COMO INTERRUPTOR
OBJETIVO Utilizar el transistor BJT como interruptor para activar cargas resistivas e inductivas. Objetivos específicos: Armar un circuito para activar o desactivar la tensión en una resistencia mediante un transistor BJT que opera en la región de corte o saturación. Armar un circuito para activar la bobina de un relevador electromecánico y encender un foco incandescente o un motor de baja potencia mediante un transistor BJT.
INTRODUCCION En circuitos electrónicos de control y potencia industrial el transistor se utiliza generalmente como interruptor. Es decir, conmuta de un estado (o zona) de saturación a un estado de corte o viceversa. Como interruptor, el transistor puede activar o desactivar la bobina de un relevador de bajo voltaje o funcionar simplemente como un inversor. Cuando el transistor se encuentra en saturación la tensión colector-emisor es casi cero. Por el contrario, cuando el transistor está en corte la tensión entre estas mismas terminales es igual a la tensión que tiene la fuente de alimentación.
MARCO TEÓRICO El transistor de unión bipolar (del inglés Bipolar Junction Transistor , o sus siglas BJT ) es un dispositivo electrónico de estado sólido consistente en dos uniones PN muy cercanas entre sí, que permite controlar el paso de la corriente a través de sus terminales. La denominación de bipolar se debe a que la conducción tiene lugar gracias al desplazamiento de portadores de dos polaridades (huecos positivos y electrones negativos), y son de gran utilidad en gran número de aplicaciones; pero tienen ciertos inconvenientes, entre ellos su impedancia de entrada bastante baja. Los transistores bipolares son los transistores más conocidos y se usan generalmente en electrónica analógica aunque también en algunas aplicaciones de electrónica digital, como la tecnología TTL o BICMOS. Un transistor de unión bipolar está formado por dos Uniones PN en un solo cristal semiconductor, separados por una región muy estrecha. De esta manera quedan formadas tres regiones:
Emisor , que se diferencia de las otras dos por estar fuertemente dopada, comportándose como un metal. Su nombre se debe a que esta terminal funciona como emisor de portadores de carga. Base, la intermedia, muy estrecha, que separa el emisor del colector. Colector , de extensión mucho mayor.
FUNCIONAMIENTO En una configuración normal, la unión emisor-base se polariza en directa y la unión base-colector en inversa. Debido a la agitación térmica los portadores de carga del emisor pueden atravesar la barrera de potencial emisor-base y llegar a la base. A su vez, prácticamente todos los portadores que llegaron son impulsados por el campo eléctrico que existe entre la base y el colector. Un transistor NPN puede ser considerado como dos diodos con la región del ánodo compartida. En una operación típica, la unión base-emisor está polarizada en directa y la unión base-colector está polarizada en inversa. En un transistor NPN, por ejemplo, cuando una tensión positiva es aplicada en la unión baseemisor, el equilibrio entre los portadores generados térmicamente y el campo eléctrico repelente de la región agotada se desbalancea, permitiendo a los electrones excitados térmicamente inyectarse en la región de la base. Estos electrones "vagan" a través de la base, desde la región de alta concentración cercana al emisor hasta la región de baja concentración cercana al colector. Estos electrones en la base son llamados portadores minoritarios debido a que la base está dopada con material P, los cuales generan "huecos" como portadores mayoritarios en la base. La región de la base en un transistor debe ser constructivamente delgada, para que los portadores puedan difundirse a través de esta en mucho menos tiempo que la vida útil del portador minoritario del semiconductor, para minimizar el porcentaje de portadores que se recombinan antes de alcanzar la unión basecolector. El espesor de la base debe ser menor al ancho de difusión de los electrones. Cuando un transistor se utiliza en un circuito, el comportamiento que éste tenga dependerá de sus curvas características. En el diagrama que se muestra hay varias curvas que representan la función de transferencia de Ic (corriente de colector) contra VCE (voltaje colector – emisor) para varios valores de Ib (corriente de base). Cuando el transistor se utiliza como amplificador, el punto de operación de éste se ubica sobre una de las líneas de las funciones de transferencia que están en la zona activa. (las líneas están casi horizontales).
Transistor en corte y saturación Cuando un transistor se utiliza como interruptor o switch, la corriente de base debe tener un valor para lograr que el transistor entre en corte y otro para que entre en saturación - Un transistor en corte tiene una corriente de colector (Ic) mínima (prácticamente igual a cero) y un voltaje colector emisor VCE) máximo (casi igual al voltaje de alimentación). Ver la zona amarilla en el gráfico - Un transistor en saturación tiene una corriente de colector (Ic) máxima y un voltaje colector emisor (VCE) casi nulo (cero voltios). Ver zona en verde en el gráfico
Para lograr que el transistor entre en corte, el valor de la corriente de base debe ser bajo o mejor aún, cero. Para lograr que el transistor entre en saturación, el valor de la corriente de base debe calcularse dependiendo de la carga que se esté operando entre encendido y apagado (funcionamiento de interruptor) Si se conoce cual es la corriente que necesita la carga para activarse (se supone un bombillo o foco), se tiene el valor de corriente que habrá de conducir el transistor cuando este en saturación y con el valor de la fuente de alimentación del circuito, se puede obtener la recta de carga. Ver gráfico anterior. Esta recta de carga confirma que para que el transistor funcione en saturación, Ic debe ser máximo y VCE mínimo y para que esté en corte, Ic debe ser el mínimo y VCE el máximo.
El transistor como interruptor Un transistor funciona como un interruptor para el circuito conectado al colector (Rc) si se hace pasar rápidamente de corte a saturación y viceversa. En corte es un interruptor abierto y en saturación es un interruptor cerrado. Los datos para calcular un circuito de transistor como interruptor son: el voltaje del circuito que se va a encender y la corriente que requiere con ese voltaje. El voltaje Vcc se hace igual al voltaje nominal del circuito, y la corriente corresponde a la corriente Icsat. Se calcula la corriente de saturación mínima, luego la resistencia de base mínima:
IBSAT min = Icsat / b RBMax = Von/IBsat min Donde Von es el voltaje en la resistencia de base para encender el circuito, el circuito debe usar una RB por lo menos 4 veces menor que RBmax. Adicionalmente se debe asegurar un voltaje en RB de apagado Voff que haga que el circuito entre en corte.
MATERIAL Y EQUIPO Equipo: 1 Multímetro 1 Fuente fija o variable de 12 voltios de c.c.
Material: 1 tablilla de conexiones (project board) 1 transistor NPN BC547 o equivalente 1 diodo 1N4001 Varias resistencias (de acuerdo al diseño) 1 relevador electromecánico para circuito impreso de 12 voltios 1 lámpara de 120 voltios con base (socket) 1 interruptor pequeño 1 clavija
cinta de aislar
DESARROLLO DE LA PRÁCTICA Antes de armar el circuito en el protoboard, se deben realizar ciertos cálculos para asegurar el funcionamiento del circuito para así lograr el objetivo de la práctica. Tales cálculos se refieren a: el valor de la resistencia para limitar la corriente que entra al transistor y la corriente que debe circular a través de la bobina para energizarla. Ya determinado esos valores ahora se prosigue con el armado del circuito:
Se com prueba qu e efectivamente, el transistor actúa com o u n interrupto r.
He aquí el circuito funcionando:
INTERRUPTOR ABIERTO
INTERRUPTOR CERRADO
CÁLCULOS Como se mencionó anteriormente, se debe calcular el valor de la resistencia que limitará la corriente que atraviese por el transistor. Por hoja de especificaciones se sabe que: Ic=100 mA B= 120 Por hoja de especificaciones del relevador se sabe: La potencia de la bobina =250 mW. El voltaje con que trabaja el relevador es de 12 V. Aplicando la fórmula de potencia tenemos que la corriente de la bobina es:
La corriente I L se puede considerar igual que la corriente I C por lo tanto:
Con este valor se calcula el valor de la resistencia mediante Ley de Ohm
RESULTADOS Y ANÁLISIS DE RESULTADOS: El circuito funciono de la manera deseada: Cuando se tiene el interruptor abierto, el voltaje pasa por la resistencia, pero no por el transistor por lo que la bombilla se mantiene apagada. Cuando el interruptor está cerrado el voltaje pasa por la resistencia y por la base del transistor el cual deja pasar la corriente necesaria para que el relevador funcione. De esta manera la bobina crea un campo magnético que hace que hace que el interruptor del relevador se cierre y de así la bombilla se encienda. En el desarrollo de la práctica se apoyó con el uso de un relevador para encender un foco de 120v y el transistor NPN BC547, se comprobó que cuando el transistor se encuentra en saturación la tensión colector-emisor es casi cero, esto quiere decir que esta actuando como un interruptor encendido y se comprueba cuando el relevador enciende el foco. Por el contrario, cuando el transistor está en corte la tensión entre estas mismas terminales es igual a la tensión que tiene la fuente de alimentación, en este caso el relevador junto con el transistor actúan como un interruptor abierto, por consiguiente y como comprobación el foco no se enciende.
CONCLUSIONES El valor de la resistencia debe ser bien calculada, ya que si es más pequeña, el circuito trabajará, pero después de cierto tiempo, la corriente afectará y dañara el transistor y al relevador. Como la bobina recibe un voltaje, aunque no esté conectada a tierra, se crea un campo magnético (no tan grande como para accionar el interruptor del relevador) pero lo suficiente para llegar a dañar al transistor, por lo que por eso se puso el diodo, para proteger al transistor.
BIBLIOGRAFÍA (s,a), transistor como interruptor o switch , Recuperado: 20/05/2012, De: www.unicrom.com/tut_ transistor _como_switch.asp
(s,a), TRANSISTOR BJT COMO CONMUTADOR, Recuperado: 20/05/2012, De: www.itescam.edu.mx/principal/sylabus/fpdb/recursos/r5290.DOC
