miércoles, 8 de junio de 2016

Conexión de entradas / salidas (Elementos de protección y potencia para las salidas digitales "3")

Capitulo 3

El Transistor




Podríamos definir al transistor de manera que resulte asimilable y sencilla de entender, como que se trata de la versión electrónica de un relé, con la diferencia de que para activar su salida, se necesita una intensidad ínfima si la comparamos al consumo de la bobina del relé. También podríamos asimilarlo a un pequeño amplificador, ya que conseguirá aumentar la intensidad de la señal a su entrada, multiplicada por n veces a su salida. Pero también lo podríamos definir como un interruptor o incluso como un conmutador, y a su vez todas las descripciones juntas serían correctas.


Un diccionario nos diría que se trata de un dispositivo semiconductor, que permite el control y la regulación de una corriente grande mediante una señal muy pequeña.
 

Para empezar a familiarizarnos con él, vamos a empezar a ir explicando su funcionamiento.

Un transistor puede tener 3 estados posibles de trabajo dentro de un circuito:



  • EN ACTIVA
  • EN SATURACIÓN
  • EN CORTE



Por otro lado el transistor dispone de tres patillas o terminales donde realzaremos las conexiones, y los identificaremos por:

   E = EMISOR
   B = BASE
   C = COLECTOR




La corriente eléctrica circulará desde el emisor (E) hacia el colector (C), siempre y cuando la base (B) este activa.

Así, sus tres estados estarán directamente relacionados con el comportamiento en cada momento de la base.



  • Si por la base no circula corriente el transistor estará en corte.
  • Si a la base llegan mucha intensidad se encontrará en saturación.
  • Si la corriente de la base está entre los dos valores anteriores, el transistor estará en su zona activa. 







Como consecuencia de sus estados el comportamiento será el siguiente:


   - En activa: deja pasar más o menos corriente.
   - En corte: no deja pasar la corriente.

   - En saturación: deja pasar toda la corriente.



También deberemos de saber que existen dos tipos de transistores NPN y PNP la primera y última letra se refieren a la polaridad que manejaremos a su salida , y la letra central a la polaridad de la base.


Así tendremos que NPN significa “Negativo, Positivo, Negativo” y PNP “Positivo, Negativo, Positivo”, refiriéndose y por este orden al Emisor, Base, y Colector.


Por lo tanto si lo que necesitamos es manejar una carga positiva, utilizaremos un transistor PNP, si por el contrario la carga a manipular ha de ser negativa utilizaremos un transistor NPN.


Evidentemente en un transistor NPN la señal en la base deberá de ser positiva, al contrario que en un PNP que será negativa.



Por otro lado tendremos diversos tipos de transistores, según su fabricación, potencia, funcionamiento, etc. pero nosotros nos centraremos en dos tipos; los de unión bipolar o BJT y los de efecto de campo o FET.



Transistores bipolares o BJT

El transistor bipolar es básicamente un aplicador de corriente, lo cual quiere decir que si le aplicamos una pequeña señal de corriente por su Base, la entregará por el Emisor multiplicada o amplificada un Número de veces, a este número de veces le llamamos factor de amplificación    

El factor de amplificación lo representamos con la letra griega beta “ß”, y cada modelo de transistor tiene su propio índice o factor.

Para poder realizar nuestros cálculos este factor será primordial, así como los valores que deseemos obtener.

Así tendremos que:

  • Ic (Intensidad o corriente que pasa por la patilla colector)

Ic = ß x Ib

  • Ie (Intensidad o corriente que pasa por la patilla emisor)

Ie = (ß+1) x Ib (pero se suele redondear al mismo valor que Ic)



                
En la gráfica las intensidades de base (Ib) nos enseñan el funcionamiento para comprender mejor que según la intensidad obtendremos los diferentes estados del transistor.



Transistores de efecto de campo FET

El funcionamiento del transistor de efecto de campo o FET, es prácticamente igual al bipolar, incluidos los estados de comportamiento, con la principal diferencia que en lugar de trabajar o amplificar la intensidad o corriente, este trabaja mediante la tensión o voltaje.

Además se diferencia del BJT por tener un menos consumo y  su rapidez para cambiar de estado, por el contrario tienen una ganancia menor y por lo tanto amplifican menos, por ello este tipo de transistores se utilizan más a menudo como interruptores por su rápida respuesta poca necesidad de amplificación.

A la hora de realizar los cálculos para diseñar los circuitos, los transistores de efecto de campo son algo más complicados, por lo que si no hay interés específico al respecto, únicamente indicaremos el cálculo en los casos prácticos que realizaremos, para que se pueda ver de dónde salen los valores que para los componentes que vayamos incorporando a nuestros diseños.  





Fototransistores

También tenemos la familia de los Fototransistores cuyo funcionamiento es muy similar al de los BJT, con la diferencia de que la corriente de la base puede ser gestionada mediante la luz que reciben (al igual que sucede con las fotorresistencias o LDR).

Practica
 
Y ahora vamos a entrar en materia. Calcularemos los valores para alimentar la bobina de un relé desde nuestro Arduino.
Primero necesitaremos saber las características del relé, para ello consultaremos su datasheet.

Ejemplo:





Del ejemplo de la imagen podremos obtener la información necesaria para diseñar nuestro circuito, en este caso vamos a optar por el modelo de 12 VDC, el cual nos indica que tiene un consumo de 126 mA.

Lo siguiente que deberemos de saber es la intensidad de activación para base del transistor para ello necesitamos dos datos, la máxima que puede ofrecer nuestra placa y la que máxima que puede ofrecer el transistor.

Como transistores más comunes (que no los únicos) encontraremos el BC547 (NPN), el cual puede trabajar con tensiones de hasta 45 Voltios e intensidades de 100 mA., su precio aproximado es de 3 céntimos de Euro, el cual no nos serviría para esta aplicación.

O el BC327 (PNP) que puede trabajar con tensiones de hasta 45 Voltios e intensidades de 500 mA., su precio aproximado es de 2 céntimos de Euro, que evidentemente sí que podrá maneja la bobina del relé de 126 mA.

Ahora deberemos de saber el factor de amplificación mínimo “ß” también representado por “hFe” que tiene el transistor escogido, para ello consultaremos su datasheet:

http://www.farnell.com/datasheets/1575961.pdf
 
Seguidamente con esta fórmula podremos calcular la resistencia necesaria:


 


 


O lo que es lo mismo:





Siendo:

Rb = La resistencia de la base del transistor a obtener

Vb = La tensión que aplicaremos a la base y proporcionada por la placa o microcontrolador.

0,7 = Es la caída de tensión típica entre la base y el emisor.

Ic = Es la corriente que consumirá el circuito que queremos alimentar.

hFe = Es la ganancia o factor de amplificación mínima determinada por el fabricante.

El resultado será el valor en ohmnios de la resistencia a instalar.




Así con estos datos obtendremos que:

Vb = 5

Ic = 126 mA = 0.126 A

hFe = 100

Y nuestra formula quedaría así:



La resistencia debería de ser de 3K4, cuya equivalente normalizada en el mercado podria ser la 3K3 o 3K9.

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