1.- EL TRANSISTOR COMO CONMUTADOR.
1.1. Funcionamiento: normal, bloqueado y saturado.
1.2. Transición entre estados.
2.- CIRCUITOS MULTIVIBRADORES.
2.1. Multivibrador astable.
2.2. Multivibrador monoestable.
2.3. Multivibrador biestable.
3.- CIRCUITO DISPARADOR SCHMITT.
1.- EL TRANSISTOR COMO CONMUTADOR.
Un circuito de conmutación es aquel cuya salida solo admite dos posibilidades: salida nula (circuito inactivo) y salida no nula (circuito activo), es decir, aquel que se comporta como un interruptor o conmutador.
En este tema se van a estudiar los circuitos de comnutación mediante el uso de transistores, limitándonos al caso de montajes en emisor común por ser los más utilizados. En primer lugar analizaremos el comportamiento del transistor como conmutador.
1.1. Funcionamiento: normal, bloqueado y saturado:
En el caso concreto de un transistor, en montaje emisor común, las características de salida vienen dadas por las curvas IC-VCE, obtenidas para distintas corrientes de base IB (fig. 1). De la observación de estas curvas podemos deducir la existencia de tres zonas o regiones en el funcionamiento de un transistor:
– Región de corte: Está situada por debajo de la curva correspondiente a IB = 0 (marcada en la figura como zona 1), en la que el transistor no conduce por no haber corriente de base, estando bloqueado o al corte.
– Región de saturación: Esta situada a la izquierda de la línea vertical a trazos (marcada en la figura como zona 3), en la que la tensión colector-emisor es muy pequeña por que las polarizaciones de las uniones son del mismo sentido, de modo que ambas uniones inyectan huecos (carga) en la base. La corriente de colector alcanza su valor máximo.
Figura 1: Características de salida de un transistor.
– Región de funcionamiento normal: Esta situada entre las otras dos regiones (marcada en la figura como zona 2), y es la región en que se obtiene amplificación de corriente sin apenas distorsión.
El funcionamiento del transistor en una u otra región vendrá determinado por las condiciones de polarización de las uniones de emisor y de colector, de forma que:
* En la región de corte, ambas uniones tienen polarización inversa.
* En la región de funcionamiento normal, la unión emisora tiene polarización directa y la colectora inversa.
* En la región de saturación, ambas uniones tienen polarización directa.
Que el transistor funcione como conmutador, puede lograrse de tres formas:
1. Transistor saturado para el estado ON, y en corte para el estado OFF.
2. Transistor en la región activa para el estado ON, y en corte para el estado OFF.
3. Transistor en la región activa para ambos estados ON y OFF.
Los circuitos que trabajan en la forma 1, se denominan saturantes, y los que trabajan en la forma 2, se denominan no saturantes. Las formas 1 y 2 son las de uso más habitual pues se pueden lograr con mayor facilidad, en tanto que la forma 3 requiere mayores exigencias en el diseño para poder establecer la discriminación entre los valores de salida.
Las formas 1 y 2 se corresponden con el transistor en corte para el estado OFF, lo que supone polarizaciones en sentido inverso para ambas uniones, polarizaciones limitadas por los fenómenos de disrupción por avalancha o de perforación. Cuando el transistor está en corte (OFF), las intensidades de corriente en los terminales son despreciables, de modo que las d.d.p. existentes entre dichos terminales serán las que determine el circuito exterior, que a su vez determinan las cargas que se tienen en las uniones. Cuando el transistor está en ON y en saturación, las d.d.p. existentes entre los terminales son despreciables y las intensidades que circulan por dichos terminales quedan determinadas por el circuito exterior.
Así pues, para las formas de trabajo 1 y 2, se dan los siguientes datos:
* Tensión colector-emisor en estado de corte: VCE = VBAT (tensión batería).
* Tensiones colector-emisor y emisor-base en estado normal de funcionamiento: VCE = VEB entre 0,5 y 0,7 V.
* Tensiones colector-emisor y emisor-base en estado de saturación: VCE = VCESAT » 0,1 V; VEB entre 0,5 y 0,7 V.
La ganancia de corriente en cortocircuito en el montaje emisor común debe verificar:
bF = IB / IC ³ 1
1.2. Transición entre estados:
El paso del transistor a los estados ON y OFF se gobierna mediante la carga existente en la base, así que para pasarlo al estado ON deberemos suministrar carga a la base y para pasarlo al estado OFF deberemos extraer carga de la base.
La transición entre estados no puede ser instantánea pues hay que dar tiempo a que se cargue o se descargue la base. Las figuras 2, a) y b) corresponden a un circuito de transistor en montaje emisor común, denominado inversor, en el que se indican las corrientes de desbloqueo IB1, y de bloqueo IB2 a través de la resistencia de base, así como las restantes corrientes; en la figura 3 tenemos las gráficas de respuesta a un pulso rectangular en las que se indican los distintos tiempos de paso de un estado a otro.
Antes de proceder a la explicación de las transición entre estados, definiremos los tiempos td, tr, ton, ts, tf y toff que aparecen en las gráficas:
* Tiempo de retraso o tiempo de respuesta, td : La corriente de colector no alcanza su valor máximo de forma instantánea al llegar una señal de entrada. Se denomina tiempo de retraso al intervalo de tiempo entre el principio de la señal de entrada y el instante para el cual IC alcanza el 10% de su valor máximo. Dicho tiempo se explica como consecuencia de los efectos producidos por las capacidades de las uniones y por el tiempo de difusión de los portadores a través de la base.
* Tiempo de crecimiento, tr : es el intervalo de tiempo durante el cual la corriente crece del 10 al 90% de su valor máximo. La carga de la base crece proporcionalmente al tiempo.
* Tiempo de desbloqueo o de cierre, ton : es la suma de los tiempos anteriores y es el tiempo que tarda el transistor en alcanzar la saturación.
* Tiempo de almacenamiento o de acumulación, ts : es el intervalo de tiempo durante el cual la corriente del colector aún supera el 90% de su valor máximo tras cesar el pulso de gobierno, dado que el exceso de carga en la base no ha sido evacuado todavía.
* Tiempo de decrecimiento o de caída, tf : es el intervalo de tiempo durante el cual la corriente de colector decrece desde el 90 hasta el 10% de su valor máximo, conforme la carga normal de la base decrece proporcionalmente al tiempo.
* Tiempo de bloqueo o de apertura, toff : es la suma de los tiempos anteriores y es el tiempo que tarda el transistor el alcanzar el corte.
La explicación es la siguiente: antes de la saturación hay una carga almacenada en la base que es proporcional a la corriente de emisor. Cuando llega un pulso rectangular comienzan a producirse los efectos de capacidad de las uniones y de difusión de los portadores en la base, para seguidamente crecer la carga proporcionalmente al tiempo como consecuencia de el aumento de la corriente de base y así se llega al estado de saturación, quedando la base sobrecargada por los portadores que le inyecta la unión de colector que ha cambiado su polaridad. Cuando cesa la señal de entrada, el exceso de carga mantiene la corriente de colector hasta que es evacuada para, a continuación, seguir descendiendo proporcionalmente al tiempo como consecuencia de la disminución de la corriente de base y así hasta alcanzar el estado de corte por haber cambiado las polarizaciones de las uniones.
Figura 2: Circuito inversor y corrientes de Figura 3: Señal de entrada y gráficas de respuesta
desbloqueo (a).y de bloqueo (b).
2.- CIRCUITOS MULTIVIBRADORES.
El campo de aplicación del transistor-conmutador es amplio, y en dicho campo nos encontramos con los circuitos regenerativos formados por dos transistores denominados multivibradores, de gran interés en los circuitos de pulsos, ya que permiten, entre otras cosas, la generación de ondas sinusoidales en ausencia de señal alterna, la discriminación entre pulsos de amplitudes diferentes que se aplican en las puertas lógicas, la actuación como circuitos contadores de pulsos, como conmutadores, etc.
Todos ellos se caracterizan porque poseen dos estados de funcionamiento, ON y OFF, constituyen un amplificador de dos etapas en el que la salida de cada una está conectada a la entrada de la otra y se da una realimentación positiva unidad puesto que cada etapa produce una rotación de fase de 180o, que hace del circuito un oscilador.
Los principios que rigen su funcionamiento son:
1. La tensión en bornes de un condensador no puede sufrir discontinuidad, es decir, si una de sus placas sufre una variación brusca de tensión, la otra placa sufre la misma variación. Así el condensador transmite los frentes abruptos.
2. Tras transmitir un frente abrupto, la carga y la tensión de carga evolucionan de forma exponencial.
3. Cuando un transistor está en corte, VCE = VCC, y si bruscamente se hace conductor, la tensión de colector VC sufre una discontinuidad y se verifica que VCE = VCC – RC IC.
2.1. Multivibrador astable:
Su nombre le viene porque no es estable en ninguno de sus dos estados, es decir, no puede permanecer en ninguno de ello indefinidamente, sino que cambia periódicamente de uno a otro. La figura 4, a) representa un multivibrador astable y la figura 4, b), nos indica su funcionamiento.
Figura 4: Multivibrador astable (a) y funcionamiento (b).
Supongamos que en un instante dado, el transistor T está saturado y el transistor T’ está en corte. El condensador C’L está cargado y mantiene negativa la tensión de base B’. En consecuencia:
VC = VCC – RC IC » 0 ; VB » 0 ; se desprecian VCE y VBE que son del orden de 0,1 V
IC’ = 0 ; VC’ = VCC
El condensador CL empezará a cargarse como consecuencia de la d.d.p. entre el colector C’, que está a la tensión de la fuente VCC V, y la base B que está a 0 V. Al mismo tiempo C’L empieza a descargarse debido a la corriente i que atraviesa la resistencia R’1, con lo que el potencial de la base B’ aumenta y aparece una corriente de base IB’, que produce una corriente IC’ que hace que VC’ disminuya bruscamente y CL transmite esta variación a la base B, con lo que IC decrece de forma que VC = VCC – RC IC, crece, y C’L transmite este crecimiento a B’, por lo que IB’ crece, y así sucesivamente.
Este sería el comportamiento del circuito, esto es, se comporta como un verdadero oscilador, pues cuando T´ envia un pulso positivo a la base B, T responde enviando un pulso positivo a la base B’ y recíprocamente.
Las formas de las ondas de tensión están representadas en la figura 5.
Las aplicaciones del MV astable son:
– Generación de ondas cuadradas para relojes.
– Divisor de frecuencias.
– Convertidor tensión-frecuencia
– Generación de ondas cuadradas en sincronismo con una señal externa.
Figura 5. Formas de las ondas de tensión.
2.2. Multivibrador monoestable:
De los dos estados que puede presentar, tan solo en uno de ellos puede permanecer indefinidamente. El paso al estado inestable solo se consigue enviando una señal que dispare el circuito, tras la cual volverá a su forma estable.
La figura 6, representa un circuito multivibrador monoestable, que como podemos apreciar se deriva del astable por sustitución de uno de los acoplamientos RC de alterna, por un acoplamiento R de continua, aunque en el circuito representado se ha mantenido el condensador C’L en paralelo con la resistencia R, para que transmita a la base B’ los frentes abruptos que le llegan desde C.
En ausencia de pulsos externos, la corriente IB satura al transistor T. El puente de polarización R-RB’, se escoge de manera que VB’E’ < 0 cuando VC = VCC – RC IC, así que T’ está boqueado en estado estable.
Si un pulso negativo llega a B, disminuye IB y, en consecuencia, disminuye IC, con lo que VC crece y provoca la aparición de IB’ e IC’ y la disminución de VC’, disminución que es transmitida a la base B y acelera la transición: T se bloquea y T’ se satura. Pero este estado no puede permanecer indefinidamente puesto que C1 se descarga a través de R1, lo que permite a que VB sobrepase el valor de VE, con lo que el sistema pasa de nuevo a su estado estable. El tiempo de permanencia estado no estable es del orden del producto R1C1.
Los MV monoestables se aplican en:
– Conformación de ondas en sistemas digitales, estandarizando pulsos de anchura y amplitud variables.
– Regeneración de impulsos deformados por el sistema de transmisión.
– Retardador de impulsos digitales.
– Generación de pulsos con anchura controlable, sincronizados con una fuente externa.
Figura 6: Multivibrador monoestable. Figura 7: Multivibrador biestable.
2.3. Multivibrador biestable:
Se denomina así porque puede permanecer indefinidamente en cualquiera de sus dos estados. El cambio de estado se consigue mediante señales externas.
La figura 7, representa un multivibrador biestable, que como podemos apreciar deriva del monoestable sustituyendo su acoplamiento RC de alterna por un acoplamiento R de continua, aunque en el circuito presentado se mantienen los condensadores CL en ambos acoplamientos de continua para que se encarguen de transmitir los frentes abruptos que les llegan desde C y C’ a las bases B’ y B respectivamente.
Cuando se conecta el circuito a la fuente de alimentación, uno de los transistores, el T por ejemplo, pasa a ser conductor y el otro, T’ en este caso, entra en corte como consecuencia de la c.d.t. RC IC, resultado de la tensión de alimentación: VC = VCC – RC IC, siendo VC’ = VCC. Así permanecería indefinidamente dado que las resistencias de polarización R-RB’ se han escogido de forma que VBE > 0 y VB’E’ < 0. Análogamente sucedería en el otro estado: las resistencias de polarización R’-RB se escogen de forma que VB’E’ > 0 y VBE < 0, que por simetría del conjunto serán iguales.
El cambio de estado se produce cuando un pulso negativo llega a los emisores, ya que disminuye la corriente de base del transistor saturado y consecuentemente la de colector y el producto RC IC, por lo que la tensión de colector crece y el crecimiento se transmite a la base del transistor que está en corte y que, por tanto, comenzará su conducción hasta alcanzar la saturación, que, a su vez, provoca el corte del primero.
NOTA: Es preferible que un pulso negativo inicie el bloqueo del transistor que conduce, a un pulso positivo que inicie la conducción del que está en corte, pues impediríamos la readmisión negativa por la resistencia de emisor durante la basculación.
Este dispositivo, también denominado flip-flop, se utiliza mayormente en los contadores binario, y de forma general en casi todas las aplicaciones binarias.
3.- CIRCUITO DISPARADOR SCHMITT.
Se trata de un circuito muy útil para la regeneración de impulsos, pues permite restablecer los niveles lógicos originales de aquellos impulsos que han sufrido una deformación como consecuencia, por ejemplo, de su transmisión por cable (fig.8).
El circuito viene representado en la figura 9, y es un biestable que actúa como discriminador de los niveles de tensión que se aplica en la entrada, pues se dispara cada vez que llega un pulso que supera la tensión umbral, alcanzándose precisiones de hasta 0,1 V.
Su funcionamiento es como sigue: supongamos que la tensión de entrada es nula y que el transistor T1 está al corte y el T2 conduce sin llegar a la saturación. Por estar T1 al corte la intensidad de la corriente estacionaria de T2 es la determinante del punto de trabajo y la resistencia RE del circuito emisor producirá una c.d.t. lo suficientemente grande para que T1 se mantenga en corte, siendo la polarización de la base de V1 V. Si ahora empieza a aumentar la tensión de entrada, desde 0, no ocurrirá nada hasta el instante en que la tensión de entrada supere la tensión V1, en el que T1 comenzará a conducir, lo que provocará la disminución de la polarización de T2, al tiempo que también disminuye la polarización del emisor; así, se incrementará la corriente por T1 y proseguirá aumentando hasta que T2 entre en corte. El estado se mantendrá mientras que la tensión de la señal de entrada sea superior a V1.
Figura 8: Formas de onda en el disparador Schmitt. Figura 9: Circuito disparador Schmitt.
Cuando la tensión de entrada alcance el valor V1 y siga disminuyendo el estado todavía se mantendrá, pues la tensión de polarización de base de T2 es inferior a V1 por estar el colector de T1 a menor potencial que en las condiciones iniciales, así que tendrá que seguir disminuyendo la corriente de entrada hasta que la menor tensión del emisor y el mayor potencial del colector de T1 alcancen el valor necesario para que comience a circular una corriente por la base de T2, siendo necesario reducir la tensión de entrada al valor V2 < V1, momento en el que se iniciará la transición hacia el otro estado.
R E S U M E N
A) El transistor como conmutador.
* Un circuito de conmutación es aquel cuya salida solo admite dos posibilidades: salida nula o circuito inactivo y salida no nula o circuito activo.
* Un transistor puede actuar como un conmutador pasando del estado de corte al de conducción.
A.1) Funcionamiento: normal, bloqueado y saturado.
* En las características de salida de un transistor se aprecian tres regiones: corte, saturación y funcionamiento normal.
* Estas regiones quedan determinadas por las polarizaciones de las uniones colectora y emisora.
* En estado de corte las dos uniones tienen polarización inversa, y en estado de saturación ambas tienen polarización directa.
A.2) Transición entre estados.
* El paso de un estado a otro se gobierna mediante la carga existente en la base, la cual le será suministrada o sustraída.
* El paso de un estado a otro no es inmediato y requiere de unos tiempos para contrarrestar los efectos de capacidad de las uniones, el tiempo necesario para la difusión de los portadores a través de la base y el necesario para que dicha base vaya adquiriendo o devolviendo carga.
B) Circuitos multivibradores.
* Se caracterizan por poseer dos estados de funcionamiento: ON y OFF.
* Su funcionamiento se rige por los principios básicos del comportamiento de los condensadores y la discontinuidad en la tensión de polarización del colector.
B.1) Multivibrador astable.
* No puede permanecer indefinidamente en ninguno de sus dos estados por lo que pasa periódicamente de uno a otro.
* Se caracteriza por los circuitos de acoplo de alterna RC, provocadores del cambio de estado.
B.2) Multivibrador monoestable.
* Solo puede permanecer indefinidamente en uno de sus estados.
* Deriva del circuito astable, por sustitución de uno de los acoplos RC de alterna por uno de continua.
* El paso al estado inestable requiere de una señal externa. Cuando esta cesa, vuelve a su estado estable.
B.3) Multivibrador biestable.
* Puede permanecer indefinidamente en cualquiera de los dos estados.
* Deriva del circuito monoestable, sustituyendo el acoplo RC de alterna por una acoplo de continua.
* El cambio de estado se realiza a través de pulsos externos.
C) Circuito disparador de Schmitt.
* Es un biestable que cambia de estado por discriminación de los valores de las tensiones de entrada.
* Se utiliza para la regeneración de pulsos.
BIBLIOGRAFÍA
1. Curso de Electrónica. Vol III.
M. Mounic.
José Montesó – Editor.
2. Ingeniería electrónica.
J. González Bernaldo de Quiros.
Ed. Paraninfo.
3. Electrónica fundamental para científicos.
James J. Brophy.
Ed. Reverté, S.A.
4. Prácticas de electrónica. Manual de laboratorio y de enseñanza acelerada.
Marcombo.