Unidad 60- Circuitos de conmutación mediante transistores. Aplicaciones Aplicaciones características.
INTRODUCCIÓN Difícilmente podrá encontrarse una actividad, técnica o no, que no implique al!n elemento o circuito de conmutación. "os circuitos de conmutación se caracteri#an por funcionar de modo $inario, es decir, utili#an dispositivos dispositivos mediante los cuales solo son posi$les dos estados. "a misión de un dispositivo funcionando como conmutador, consiste en de%ar pasar la corriente cuando está cerrado & $loquear su paso cuando está a$ierto. Aunque e'iste cierta tendencia a asociar los circuitos de conmutación con componentes eléctricos & electrónicos, muc(as aplicaciones industriales tra$a%an con dispositivos de conmutación no eléctricos) (idráulicos & neumáticos.
1. TRANSISTOR BIPOLAR "os circuitos de conmutación son aquellos que act!an como conmutador o con%unto de conmutadores, cu&as se*ales de salida pueden ser e'clusivamente activo +sí o inactivo +no. on tres los monta%es $ásicos que podemos reali#ar con un transistor / o // & para cada uno de ellos es posi$le o$tener o$tener unas curvas características de salida. Anali#ando las curvas características podemos distinuir tres reiones de tra$a%o) C123, AC245A A2U1A A2U1AC47. C47. 3l funcionamiento en la reión activa proporciona la acción normal del transistor, o$teniéndose amplificación con una distorsión mínima. "a e'tensión del funcionamiento a las reiones de corte saturación produce una distorsión rave en la forma de limitación . in em$aro, cuando se utili#a el transistor com como conm onmutado tadorr, el fun funcio cionamie amient ntoo se llev leva usualmente a las reiones de saturación & de corte.
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1.1 El transistor bipolar como conmutaor !staos ON " O##. 3l funcionamiento del transistor en cada una de las posi$les reiones de las curvas 4 C-5C3 , se determina, en líneas enerales, por las condiciones de polari#ación de los diodos de emisor & colector que forman el transistor. transistor. 1389 1389 D3 :UC4A; :UC4A;432 432 /"A14
. 3stado ..........2ransistor en activa. 3stado :...........2ransistor :...........2ransistor en corte. ?. 3stado ..........2ransistor en activa. 3stado :...........2ransistor :...........2ransistor en activa. =
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"os modos de los apartados = & > son los mas utili#ados, &a que el apartado ? precisa de unas condiciones de dise*o más e'ientes al tener que discriminar entre dos valores de salida, estando funcionando el transistor siempre en la reión activa. "os circuitos diitales que operan $a%o las condiciones del apartado = se denominan @circuitos de conmutación saturantes@, de$ido a que el estado se determina por el transistor funcionando en la reión de saturación. /or el contrario, los del apartado > se denominan no saturantes, al no llear a saturación el transistor en estado .
1.$ Conicion!s ! %uncionami!nto. De las consideraciones de funcionamiento de un transistor de conmutación en el estado off se llaa a la conclusión siuiente) "as intensidades de corriente en los terminales son desprecia$les, por lo que las tensiones entre los pares de terminales están determinadas !nicamente por el circuito e'terior asociado al transistor. 3stas tensiones determinan las caras de las capas de cara especial en las uniones. 3l estado del transistor conmutador corresponde al funcionamiento de la reión activa o de saturación la unión de emisor estará polari#ada en directo & la de colector en inverso o en directo respectivamente. 3n el caso de transmisor saturado, todas las tensiones entre los pares de terminales son peque*as & su dependencia con las intensidades en los terminales es mínima, estando éstas determinadas principalmente por el circuito asociado al transistor. 5alores característicos del transistor entre sus pares de terminales en am$os estados) 2ransistor cortado) 5 C3B5A2. 2ransistor en activa) 5 C3B53B 0, A, 0,E 5 2ransistor en saturación) 5 C3B5CesatB 0,> 5 53B 0, a 0,E 5 "as corrientes en los terminales están determinadas principalmente por el circuito en el que se encuentra el transistor. /or !ltimo conviene e'poner la relación que de$e e'istir entre las corrientes del transistor, para aseurar su funcionamiento en la reión de saturación. e de$e cumplir que β = I I ≥ = o $ien β ⋅ I > I . iendo β:B (:3 +anancia de corriente en cortocircuito en emisor com!n. F
F
B
B
C
C
1.& Transmisi'n !ntr! !staos. /ara conmutar un transistor +//, por e%emplo al estado de$emos suministrar cara a la reión de $ase. e requiere ésta para neutrali#ar las caras de la capa de cara espacial que corresponde al estado :: & para esta$lecer una cara en e'ceso en la reión de la $ase, suficiente para poder mantener cualquier corriente colectora solicitada por el circuito cuando el transmisor está en . 4nversamente, para conmutar un transistor al estado :: de$emos e'traer toda la cara en e'ceso de la reión de $ase & cara suficiente de las capas de cara espacial, para que las uniones puedan soportar las tensiones solicitadas por el circuito cuando el transistor está en ::. De las consideraciones anteriores so$re el mecanismo puesto en %ueo para reali#ar la conmutación entre estados se deduce que dic(a transición no puede ser instantánea. 3s necesario emplear un tiempo en in&ectar o e'traer caras en la $ase, al que (a& que sumar otros tiempos, de los cuales el más sinificativo es el de recara de las capacidades inevita$les e'istentes en el transistor & cone'iones metálicas. 3l tiempo t esta compuesto por los tiempos t d& tr . tBtdFtr tdB tiempo necesario para que la unión de emisor lleue a estar polari#ada en directo.
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tr B intervalo de tiempo entre el momento en que la unión de emisor tiene polari#ación directa & el instante en que el transmisor entra en saturación. $ien el tiempo que tarda el colector en pasar del =0 al G0H de su valor. 3l toff esta compuesto por dos tiempos t s & tf ) toff B tsFtf ts B intervalo de tiempo durante el cual se e'traen de la $ase los portadores en e'ceso, que termina cuando la unión colectora de%a de estar polari#ada en directo el transistor a$andona la reión de saturación & entra en la activa. tf B intervalo de tiempo desde que la corriente del colector empie#a a disminuir.
$. CIRCUITOS (ULTI)IBRADORES. A* Circuito bi!stabl!. Un circuito $iesta$le es el que puede permanecer indefinidamente en cualquiera de sus estados esta$les de funcionamiento & que puede ser inducido a reali#ar una transmisión $rusca de uno a otro estado mediante una e'citación e'terior. B* Circuito mono!stabl!. 3l circuito monoesta$le tiene un solo estado esta$le permanente en otro estado en otro estado semiesta$le. 3n la confiuración monoesta$le se requiere una se*al de disparo para producir una transmisión del estado esta$le al semiesta$le. 3l circuito puede mantenerse en su estado semiesta$le durante un tiempo mu& rande en comparación con el tiempo de transito entre am$os estados. :inalmente, sin em$aro, el circuito volverá a su estado esta$le sin necesitar ninuna se*al e'terior para producir esta inversión. C* Circuito !stabl!. 3l circuito esta$le tiene tam$ién dos estados de funcionamiento, siendo am$os semiesta$les. in necesidad de una se*al de disparo e'terior, la confiuración esta$le pasará sucesivamente de un estado semiesta$le a otro. $.1 (ulti+ibraor bi!stabl! ,#LIP-#LOP*. "os dos posi$les estados esta$les de funcionamiento del flip-flop son los siuientes) =. 3l trasmisor I= conduce a saturación & I> está $loqueado. >. 3l transmisor I= está $loqueado & I> conduce a saturación. 3l funcionamiento del $iesta$le siendo las salidas del mismo los puntos A & & la entrada a la que se aplica el impulso de disparo, el punto C, conectada directamente a las $ases de am$os transistores. upónase, en un principio, que no se (a aplicado nin!n pulso de disparo a la entrada del :J:. De$ido a las variaciones en la tolerancia delos componentes, efecto de la temperatura, etc. Un transistor conducirá antes que el otro o conducirá más intensamente que el otro. i de$ido a esto, como se di%o al principio, el transistor I= está conduciendo más intensamente que el I>, la corriente de $ase de I= será ma&or que la de I>. "a corriente de colector de I= aumenta rápidamente, causando la caída de tensión entre colector & emisor de un transistor conduciendo (acia la saturación tiende a ser prácticamente desprecia$le, con lo que el colector de I= tiende a tomar el potencial a masa. 3ste nivel de tensión se tiene, pues, en la salida A, & al mismo tiempo se aplica a través de 1= a la $ase del
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transistor I>, disminu&endo la polari#ación directa de este, ocasionando una rápida disminución de la corriente de $ase & corriente del colector & llevando, el colector, punto , (acia la tensión de alimentación 5cc. 3ste volta%e, más positivo, se alimenta por 1, a la $ase de I=, aumentando la polari#ación directa de esté. 2odo el proceso anterior se repite, rápidamente (asta alcan#ar un punto en el que el volta%e en la $ase de I> es prácticamente nulo, $loqueándolo de$ido a que queda inversamente polari#ado, apareciendo en el colector la tensión de alimentación 5cc +salida , mientras que I= se satura, &a que esta polari#ado directamente, quedando al punto A, colector de I=, conectado a masa. 3n definitiva, aumenta la corriente a través de I= (asta la saturación, al tiempo que disminu&e la I> (asta la condición de corte. A(ora, la aplicación de un impulso de disparo en el punto C, entrada del :J:, permite el cam$io de estado del $iesta$le reali#ándose del siuiente modo) i el impulso de disparo es positivo, de todo lo e'puesto anteriormente se deduce que el diodo D= queda inversamente polari#ado, mientras que el D> lo está directamente, por lo que el impulso positivo es aplicado a la $ase de I>, que se encuentra $loqueado, lo cual provoca que este transistor pase a conducción. "a su$ida de la corriente de colector de I> provoca la caída en el mismo tendiendo a llevarle a la tensión de emisor. 3ste cam$io de volta%e se acopla a la $ase de I= reduciendo su polari#ación directa comen#ando a disminuir su conducción, la corriente de colector disminu&e & aumenta su tensión teniendo a 5cc. 3sta variación de volta%e de colector que I= se acopla a la $ase de I>, aumentando la polari#ación directa & su conducción. Durante el rápido periodo de transmisión, los dos transistores conducen en uno +q> la conducción va aumentando (asta llevarlo a la saturación & el otro +I= va disminu&endo (asta llevarle a la posición de $loqueo. Un seundo de pulso aplicado en el punto C polari#a directamente a D= e inversamente a D>, con lo cual se aplica directamente a la $ase de I= que está a(ora $loqueado, provocando su posición de $loqueado, provocando su condición. 2ras un transitorio, I= pasará a condición de saturación & I> a corte, en virtud del proceso antes descrito pero teniendo encuenta que los dos transistores están en distinto estado al anterior. Una sucesión de pulsos positivos va cam$iando alternativamente de estado a I= & I> pasándoles del corte a saturación & viceversa. 3n el caso de aplicarse impulsos neativos, los diodos se tendrán que invertir, aplicándose en este caso el impulso neativo a $ase del transistor que está conduciendo, llevándolo a la posición de $loqueo, funcionando el :J: de la misma forma antes descrita. i en ve# de tener una sola entrada +punto C, se tuvieran por separado dos entradas conectadas a las $ases de I= & I>, se provocarían los cam$ios de estado con impulsos de disparo positivos o neativos aplicados a los transistor cortado o saturado respectivamente. 3s decir, un disparo positivo aplicado a la $ase del transistor cortado o uno neativo a la $ase del saturado provocará la transición inicial. "a seunda transición se provocaría con la aplicación de un impulso neativo al primero o uno positivo al seundo. Aplicaciones. u aplicación se concentra principalmente en dispositivos que precisen de dos estados definidos & varia$les mediante un serie de impulsos e'ternos. e suelen utili#ar en contadores $inarios &, en eneral, en casi todas las aplicaciones $inarias.
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$.$ (ulti+ibraor mono!stabl!. 3n este circuito el estado esta$le se alcan#a cuando el transistor I= está $loqueado & I> está en saturación. "os dispositivos de polari#ación & de reeneración del transistor mantiene a I> en saturación & a I= $loqueado durante el periodo de estado de reposos o constante de tiempo. "a $atería 5CC proporciona la tensión de polari#ación de los colectores de los transistores & la polari#ación directa de I> +transistor en polari#ación durante el periodo de reposo. 3l potencial en el punto , al estar I> en saturación, es cero, &a que el colector está prácticamente a la tensión de emisor. "a polari#ación inversa proporcionada por -5$$ & la caída de tensión por 1> mantiene $loqueado a I=, con lo que el potencial en A, colector de I= es iual a 5cc. 3l condensador C proporciona la aplicación rápida de la se*al reenerativa del colector de I= a la $ase de I> carándose a 5cc a través de 1c & de la unión $ase-emisor de I> prácticamente a tierra al estar polari#ado directamente. i se aplica un impulso de disparo positivo por la entrada D a la $ase I=, empie#a este a conducir. 3l volta%e positivo e'istente en el colector empie#a a descender, teniendo a cero, &a que se apro'ima a la tensión de emisor. 3sta tensión se acopla a la $ase de I> disminu&endo su polari#ación directa con lo cual la corriente de $ase & la de colector empie#an a disminuir, aumentando el volta%e del colector (acia 5cc. 3ste volta%e se acopla a la $ase de I= aumentando su potencial positivo & aumentando su conducción. 3sta reeneración produce un cam$io rápido en am$os transmisores, e'cita a I= a la saturación & $loquea a I>. Como el condensador C esta$a inicialmente carado a un potencial casi iual al de la $atería +5cc, la $ase del transmisor I> está a potencial neativo casi iual a la manitud del volta%e de la $atería 5cc. 3l condensador se descara por la resistencia 1 & la $a%a resistencia de saturación de I=. 3l potencial de la $ase I> se (ace menos neativo & cuando lleue a (acerse lieramente positivo, el transistor I> conducirá acoplándose a la $ase I> se (ace menos neativo & cuando lleue a (acerse lieramente positivo, el transistor I> conducirá acoplándose a la $ase de I=, e'citando a éste al $loqueo. 3n este momento I= está de nuevo al corte & I> está en saturación con su volta%e de colector prácticamente cero. 3sta condición esta$le se mantiene (asta que otro impulso dispara el circuito. Aplicaciones. 3n cuanto a las aplicaciones, se relacionan a continuación las consideradas más típicas) - Conformación de ondas en sistemas diitales, estandari#ando impulsos de anc(ura & amplitud aleatorias. - 1eeneración de impulsos deformados por el sistema de transmisión. - 4ntroducción de retardos de impulsos diitales. - 8eneración de impulsos con anc(ura controla$le, pero sincroni#ados con una fuente e'terior de impulsos.
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$.& (ulti+ibraor !stabl!. 3n la fi se representa el esquema de un ;5 acoplado por el colector & que se emplea transistores // en su reali#ación . Como utili#a acoplamiento por capacidad entre etapas, nin!n transistor puede permanecer cortado permanentemente. /or el contrario, el circuito tiene dos estados semiesta$les & reali#a transmisiones periódicas entre estos estados. upónase en un principio que el transistor I> se encuentra en saturación & el I= $loqueado. 3l condensador C= se cara a través de 1= con lo que la tensión de $ase de I= cae rápidamente (acia - 5cc. Alcan#ada la tensión de arranque I=comien#a a conducir. Al ir I= (acia la saturación, la tensión de colector tiende a cero +tensión de emisor acoplándose a la $ase de I> mediante el condensador C>, & provocando este salto el corte de I>,con lo que la tensión de colector de este transistor cae -5cc. 3sta caída se acopla a(ora mediante C= a la $ase de I=. 3n este momento el condensador C> el que se cara a través de 1> con lo que la tensión de $ase I> cae rápidamente a -5cc. Alcan#ada la tensión de arranque I> comien#a a conducir, con lo cual & por las ra#ones antes e'puestas aca$a $loqueándose I=. 3l ciclo se repite indefinidamente. Aplicaciones. - 8eneración de ondas cuadradas +relo%. - División de frecuencias. - Convertidor tensión-frecuencia. - 8eneración de ondas cuadradas en sincronismo con una se*al e'terior.
$. Di%!r!ncias !ntr! los tr!s multi+ibraor!s. "as diferencias e'istentes entre ellos & que se pueden clasificar en cuatro) fuentes de alimentación, sistemas de acoplo, cam$io de estado & tiempo en cada estado. A*#u!nt!s ! alim!ntaci'n Bi!stabl!/ necesita, además de la $atería de alimentación +5cc com!n a los tres, una nueva $atería 5$$ de polari#ación contraria a 5cc, para la polari#ación de las $ases de I = & I>. (ono!stabl!/ este circuito tam$ién necesita una fuente 5$$ de polari#ación contraria a la de alimentación 5cc, para la polari#ar la $ase I = en estado de corte. Establ!/ sólo necesita la fuente de alimentación 5cc B* Sist!ma ! acoplo. Bi!stabl!/ los elementos de acoplo están constituidos por resistencias +1 =. Convine tener en cuenta que, en todos los casos en que las uniones son resistivas, se encuentra colocado un condensador en paralelo con las resistencias correspondientes. (ono!stabl!/ uno de los acoplos entre transistores es capacitivo +C & el otro +1 =. Establ!/ los dos sistemas de acoplo entre transistores son capacitivos +C = & C>. C* Cambio ! !stao. Bi!stabl!/ para cada cam$io de estado necesita un impulso. Un impulso (ará pasar I = al estado de corte & I> al de saturación & seuirá así (asta que otro impulso devuelva I = al estado de saturación & I > al de corte.
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(ono!stabl!) necesita un solo impulso para pasar el transistor I = al estado de corte & I > al de saturación & seuirá así (asta que otro impulso devuelva I = al estado de saturación por si solo & al ca$o de un tiempo +determinado por el condensador C, volverá cada transistor a su estado primitivo. Establ!/ no necesita nin!n impulso para cam$iar de estado. 3l cam$io se reali#a por la cara & descara de los condensadores C = & C>. D* Ti!mpo !n caa !stao. Bi!stabl!/ depende !nicamente de la frecuencia de los disparos e'teriores. (ono!stabl!) el tiempo en el estado esta$le depende de los impulsos de disparo. 3n el estado inesta$le el tiempo depende, como &a se indicó anteriormente, de la capacidad de C. Establ!/ el tiempo en cada uno de los dos estados inesta$les depende de las respectivas capacidades de los elementos de acoplo +C = & C>. &. CIRCUITO DISPARADOR SC0(ITT. e o$serva que se trata de un amplificador acoplado por los emisores de los transistores, cu&a diferencia con los $iesta$les estri$a en la no e'istencia del acoplamiento entre el seundo transistor & la $ase del primero. 3l camino de realimentación se o$tiene a(ora vía la resistencia com!n de los emisores. 3n esencia el circuito funciona como discriminador de la amplitud de la tensión de entrada. 3l funcionamiento depende de la e'istencia de dos esta$los, discriminados de salida esta$les & de la acción de mando proporcionada por la tensión de entrada. 3l circuito está dise*ado de modo que los transistores no puedan conducir al mismo tiempo. Aplicaciones. De entre las aplicaciones típicas del circuito en cuestión, la más característica es la utili#ación como reenerador de impulsos &a que permite resta$lecer los niveles lóicos oriinales, a partir de impulsos que (an sufrido una cierta deformación, por causas como puede ser su trasmisión por ca$le, etc.
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