Funcionamiento del transistor como interruptor – Transistores NPN y PNP

Introducción

Como uno de los dispositivos semiconductores más importantes, el transistor ha encontrado uso enorme en aplicaciones electrónicas, como sistemas integrados, circuitos digitales y sistemas de control. En los dominios tanto digitales como analógicos, los transistores se usan ampliamente para diferentes usos de aplicaciones como amplificación, operaciones lógicas, conmutación, etc. Este artículo se concentra principalmente y ofrece una breve explicación de la aplicación del transistor como un interruptor.

El transistor de unión bipolar o simplemente BJT es un dispositivo semiconductor de tres capas, tres terminales y dos uniones. Casi en todas las aplicaciones, estos transistores se utilizan para dos funciones básicas, como conmutación y amplificación.

El nombre bipolar indica que dos tipos de operadores de carga están involucrados en el funcionamiento de un BJT. Estos dos portadores de carga son agujeros y electrones donde los agujeros son portadores de carga positiva y los electrones son portadores de carga negativa.

El transistor tiene tres regiones, a saber, base, emisor y colector. El emisor es un terminal fuertemente dopada y emite electrones en la base. El terminal de base está ligeramente dopado y pasa los electrones inyectados por el emisor al colector. El terminal del colector está medio dopado y recoge electrones de la base. Este colector es grande en comparación con las  otras dos regiones, por lo que disipa más calor.

Los BJT son de dos tipos NPN y PNP, ambos funcionan igual pero difieren en términos de polarización y polaridad de la fuente de alimentación. En el transistor PNP, entre dos materiales de tipo P, el material de tipo N está intercalado, mientras que en el caso del material de tipo P de transistor NPN intercalado entre dos materiales de tipo N. Estos dos transistores se pueden configurar en diferentes tipos como emisor común, colector común y configuraciones de base comunes.

Modos de funcionamiento de los transistores

Dependen de las condiciones de polarización, como avance o retroceso, los transistores tienen tres modos principales de funcionamiento, a saber, las regiones de corte, activo y de saturación.

Modo activo

En este modo, el transistor generalmente se usa como un amplificador de corriente. En el modo activo, dos uniones están sesgadas de forma diferente, lo que significa que la unión emisor-base está polarizada hacia directamente, mientras que la unión colector-base está polarizada inversamente. En este modo, la corriente fluye entre el emisor y el colector y la cantidad de flujo de corriente es proporcional a la corriente de base.

Modo de corte

En este modo, tanto la unión de la base del colector como la unión de la base del emisor tienen polarización inversa. Esto, a su vez, no permite que la corriente fluya desde el colector al emisor cuando el voltaje del emisor base es bajo. En este modo, el dispositivo está completamente apagado ya que la corriente que circula por el dispositivo es cero.

Modo de Saturación

En este modo de operación, tanto la base del emisor como las uniones de la base del colector están polarizadas directamente. La corriente fluye libremente desde el colector al emisor cuando la tensión base-emisor es alta. En este modo, el dispositivo está completamente encendido.

La figura a continuación muestra las características de salida de un transistor BJT. En la figura inferior, la región de corte tiene las condiciones de operación como cero corriente de salida del colector, cero entrada de corriente de base y voltaje máximo del colector. Estos parámetros causan una gran capa de agotamiento que además no permite que la corriente fluya a través del transistor. Por lo tanto, el transistor está completamente en OFF (apagado).


De manera similar, en la región de saturación, un transistor está polarizado de tal forma que se aplica una corriente de base máxima que resulta en la máxima corriente de colector y el voltaje mínimo colector-emisor. Esto hace que la capa de agotamiento se vuelva pequeña y permita un flujo máximo de corriente a través del transistor. Por lo tanto, el transistor está completamente en condición ON (Encendido).

Por lo tanto, de la discusión anterior, podemos decir que los transistores pueden funcionar como interuptor de estado sólido ON/OFF operando el transistor en las regiones de corte y saturación. Este tipo de aplicación de conmutación se utiliza para controlar motores, cargas de lámparas, solenoides, etc.

Transistor Como Interruptor

Un transistor se usa para cambiar la operación de apertura o cierre de un circuito. Este tipo de conmutación de estado sólido ofrece una fiabilidad significativa y un costo menor en comparación con los relés convencionales. Los transistores NPN y PNP se pueden usar como conmutadores. Algunas aplicaciones usan un transistor de potencia como dispositivo de conmutación, en ese momento puede ser necesario usar otro transistor de nivel de señal para manejar el transistor de alta potencia.

Transistor NPN Como un Interruptor

Basado en el voltaje aplicado en el terminal de base de una operación de conmutación de transistor. Cuando se aplica una tensión suficiente (Vin 0.7 V) entre la base y el emisor, el voltaje entre el colector y el emisor es aproximadamente igual a 0. Por lo tanto, el transistor actúa como un cortocircuito. La corriente del colector Vcc/Rc fluye a través del transistor.

De manera similar, cuando no se aplica voltaje o voltaje cero en la entrada, el transistor opera en la región de corte y actúa como un circuito abierto. En este tipo de conexión de conmutación, la carga (aquí la lámpara LED) se conecta a la salida de conmutación con un punto de referencia. Por lo tanto, cuando el transistor está encendido, la corriente fluirá de la fuente a tierra a través de la carga.

Ejemplo del Transistor NPN Como Interruptor

Considere el siguiente ejemplo donde la resistencia base Rb = 50 k ohm, la resistencia del colector Rc = 0.7k ohm, Vcc es 5V y  el valor beta es 125. En la entrada base se da una señal que varía entre 0 y 5V, así que vamos a ver la salida en el colector variando el Vi en dos estados que son 0 y 5V, como se muestra en la figura.

Ic = Vcc/Rc cuando VCE = 0

Ic = 5V/0.7k ohm

Ic = 7.1 mA

Base actual Ib = Ic/β

Ib = 7.1 mA/125

Ib = 56.8 μA

De los cálculos anteriores, el máximo o el valor máximo de la corriente del colector en el circuito es 7.1mA cuando Vce es igual a cero. Y la corriente de base correspondiente a la cual fluye la corriente del colector es 56.8μA. Por lo tanto, está claro que cuando la corriente de base aumenta más allá de los 56.8 microamperios, el transistor entra en modo de saturación.

Considere el caso cuando se aplica cero voltios en la entrada. Esto causa que la corriente de base sea cero y, como el emisor está conectado a tierra, la unión de la base del emisor no está polarizada directamente. Por lo tanto, el transistor está en condición OFF y el voltaje de salida del colector es igual a 5V.

Cuando Vi = 0V, Ib = 0 e Ic = 0,

Vc = Vcc-(IcRc)

= 5V-0

= 5V

Considere que el voltaje de entrada aplicado es de 5 voltios, luego la corriente base puede determinarse aplicando la ley de voltaje de Kirchhoff.

Cuando Vi = 5V

Ib = (Vi-Vbe)/Rb

Para el transistor de silicio Vbe = 0.7 V

Por lo tanto, Ib = (5V-0.7V)/50K ohm

= 86 μA que es mayor que 56.8 μA

Por lo tanto, la corriente de base es mayor que 56.8 microamperios de corriente, el transistor será conducido a saturación por lo que estará completamente ENCENDIDO cuando 5V se aplica en la entrada. Por lo tanto, la salida en el colector llega a ser aproximadamente cero.

Transistor PNP  como Switch

El transistor PNP funciona igual que el NPN para una operación de conmutación, pero la corriente fluye desde la base. Este tipo de conmutación se usa para configuraciones de tierra negativas. Para el transistor PNP, el terminal base siempre está sesgado negativamente con respecto al emisor. En esta conmutación, la corriente de base fluye cuando la tensión de base es más negativa. Simplemente un voltaje bajo o más negativo hace que el transistor se ponga en cortocircuito, de lo contrario será un circuito abierto o un estado de alta impedancia.

En esta conexión, la carga se conecta a la salida de conmutación del transistor con un punto de referencia. Cuando se enciende el transistor, la corriente fluye desde la fuente a través del transistor hasta la carga y finalmente al suelo.

Ejemplo del Transistor PNP como Conmutador

Similar al circuito del interruptor del transistor NPN, la entrada del circuito PNP también es la base, pero el emisor está conectado a voltaje constante y el colector está conectado a tierra a través de la carga como se muestra en la figura.

En esta configuración, la base siempre está sesgada negativamente con respecto al emisor al conectar la base en el lado negativo y el emisor en el lado positivo de la fuente de entrada. Entonces, el voltaje VBE es negativo y el voltaje de suministro del emisor con respecto al colector es positivo (VCE positivo).

Por lo tanto, para la conducción del transistor, el emisor debe ser más positivo con respecto al colector y la base. En otras palabras, la base debe ser más negativa con respecto al emisor.

Para calcular las corrientes base y de colector se usan las siguientes expresiones.

Ic = Ie-Ib

Ic = β. Ib

Ib = Ic/β

Considere el ejemplo anterior, que la carga requiere 100 mili amperios de corriente y el transistor tiene el valor beta de 100. Luego,  la corriente requerida para la saturación del transistor es

Corriente de base mínima = corriente de colector/β

= 100 mA/100

= 1mA

Por lo tanto, cuando la corriente base es 1 mA, el transistor estará completamente ENCENDIDO. Pero se requiere prácticamente el 30 por ciento de corriente para garantizar la saturación del transistor. Entonces, en este ejemplo, la corriente base requerida es de 1.3mA.

Ejemplos Prácticos Comunes del Transistor Como Interruptor

Transistor como interruptor  LED

Como se mencionó anteriormente, el transistor se puede usar como un interruptor. El siguiente esquema muestra cómo se usa un transistor para cambiar el diodo emisor de luz (LED) de estado.

  • Cuando el interruptor en el terminal base está abierto, no fluye corriente a través de la base por lo que el transistor está en el estado de corte. Por lo tanto, el circuito actúa como circuito abierto y el LED se apaga.
  • Cuando el interruptor está cerrado, la corriente base comienza a fluir a través del transistor y luego conduce a resultados de saturación hasta que el LED se encienda.
  • Las resistencias se colocan para limitar las corrientes a través de la base y el LED. También es posible variar la intensidad del LED variando la resistencia en la ruta de la corriente base.

Transistor para Operar un Relé

También es posible controlar la operación del relé usando un transistor. Con una pequeña disposición de circuito de un transistor capaz de energizar la bobina del relé para que se controle la carga externa conectada a él.

  • Considere el siguiente circuito para conocer el funcionamiento de un transistor para energizar la bobina del relé. La entrada aplicada en la base hace que el transistor pase a la región de saturación, lo que resulta en un circuito cortocircuitado. Así que la bobina del relé se energiza y los contactos del relevador funcionan.
  • En cargas inductivas, particularmente la conmutación de motores e inductores, la eliminación repentina de energía puede mantener un alto potencial en la bobina. Este alto voltaje puede causar daños considerables al circuito de reposo. Por lo tanto, tenemos que usar el diodo en paralelo con la carga inductiva para proteger el circuito de los voltajes inducidos de la carga inductiva.

Transistor para manejar un motor

  • Un transistor también se puede usar para controlar y regular la velocidad del motor de CC en una forma unidireccional al cambiar el transistor en intervalos de tiempo regulares, como se muestra en la figura a continuación.
  • Como se mencionó anteriormente, el motor de CC también es una carga inductiva, por lo que tenemos que un diodo de rueda libre a través de él para proteger el circuito.
  • Al cambiar el transistor en las regiones de corte y saturación, podemos ENCENDER y APAGAR el motor repetidamente.
  • También es posible Regular la velocidad del motor desde la parada hasta la velocidad máxima al cambiar el transistor a frecuencias variables. Podemos obtener la frecuencia de conmutación de dispositivo de control o IC como un microcontrolador.

¿Tienes una idea clara de cómo puedes usar un transistor? utilizado como un interruptor? Reconocemos que la información suministrada aclara todo el concepto de conmutación con imágenes y ejemplos relevantes. Si tiene dudas, sugerencias y comentarios sobre esta publicación, escriba a continuación.