Este curso introduce al alumno a la electrónica y los Arduinos, comenzando desde lo más básico de un circuito eléctrico y finalizando con el diseño de circuitos de baja complejidad empleando dispositivos electrónicos programables. Durante el curso los alumnos aprenderán los fundamentos básicos de la electricidad y de la electrónica, conocerán los diferentes bloques empleados en el diseño de un circuito electrónico, aprenderán las bases del diseño de circuitos analógicos y digitales, y serán introducidos a la programación de estos últimos empleando la plataforma Arduino. El curso apunta a estudiante de último año de educación escolar y primer año de educación universitaria, o cualquier otro alumno con suficiente motivación como para llevar a cabo sus propios experimentos y seguir aprendiendo en el futuro. Si bien no es un requisito esencial, los alumnos que tengan nociones de cálculo diferencial e integral podrán entender mejor algunos tópicos específicos, que no son estrictamente necesarios para concluir el curso. El curso incluye demostraciones de dispositivos electromecánicos sencillos controlados mediante un Arduino. Cada circuito demostrativo lleva asociado un diagrama de conexiones y un programa, ambos debidamente explicados, para facilitar que sean replicados por los alumnos empleando la plataforma Arduino.
Transistores BJT
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Del curso dictado por Pontificia Universidad Católica de Chile
Electrones en Acción: Electrónica y Arduinos para tus propios Inventos
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Pontificia Universidad Católica de Chile
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De la lección
Circuitos electrónicos
Este módulo es una introducción al análisis de circuitos, con una rápida pincelada sobre diversos dispositivos electrónicos empleados en circuitos de acondicionamiento de señales y en el manejo de actuadores.
Conoce a los instructores
Angel AbuslemeProfesor Asociado
Departamento de Ingeniería Eléctrica
Cristobal AlessandriEstudiante de Doctorado
Departamento de Ingeniería Eléctrica
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Hola. Continuamos entonces con nuestra clase de
transistores BJT.
BJT, o transistor de unión bipolar, es un dispositivo que tiene tres terminales.
Base colector y emisor.
Este es el símbolo de BJT y viene en dos sabores.
Se llama uno NPN, y el otro se llama PNP.
Ya van a entender por qué.
Y la gracia del transistor bipolar, parecido al mosfet en funcionamiento
es que la corriente entre dos terminales, en este caso entre colector y emisor
es controlada por el voltaje entre base y emisor.
Entonces es una especie de fuente de corriente controlada por voltaje.
Y así es como se ve un BJT en la práctica.
Es prácticamente igual por fuera a un mosfet.
El BJT presenta una estructura NPN, que es
la forma en que están dopados los semiconductores que constituyen el BJT.
Entonces hay uno que es NPN y hay otro que es PNP.
Y la única diferencia entre ambos, en la práctica,
es que requieren voltaje de signos diferentes.
Como dije, este es el símbolo de un NPN y este es el símbolo de un PNP.
En el caso del NPN tenemos colector, base y emisor.
El emisor es el terminal que tiene la flecha y la flecha va saliendo del
transistor.
La corriente va en esa dirección.
En el caso del PNP tenemos emisor, base, colector.
El emisor va en el terminal de la flecha y la corriente va en esta dirección.
El BJT tiene cuatro regiones de operación pero
en realidad son tres las más importantes que son las que vamos a ver ahora.
Están la región de corte en que no hay corriente.
Está la región activa en que el BJT
se comporta como una fuente de corriente controlada por voltaje.
Y está la región de saturación en que el BJT
se comporta más o menos como un switch.
La característica que define en que región de operación se encuentra el BJT es
según las uniones base-emisor,
y colector-base.
Vuelvo atrás una lámina.
Aquí hay dos uniones.
Estás se llaman uniones.
PN.
Es como una especie de diodo.
De hecho, aquí hay una especie de diodo.
Y aquí hay una especie de diodo también.
Por ejemplo, este diodo deja de conducir la corriente en esa dirección
pero no al revés.
Entonces cuando conduce en esta dirección hablamos de polarización directa,
y al revés, polarización inversa.
En el BJT, quien define si estamos en región de corte, activa o saturación
es la polarización directa o inversa de las uniones base-emisor y colector-base.
Por ejemplo, si queremos estar en corte,
ambas uniones tienen que estar polarizadas de forma inversa.
Lo cual indica que no hay corriente.
Si queremos estar en la región activa la unión base emisor tiene que estar
polarizada en forma directa, lo cual requiere unos 0.7
volts entre base y emisor y la unión colecto-base en inversa.
Lo cual puede ser cualquier voltaje negativo ahí.
Y en saturación, ambas tienen que estar en polarización directa.
Esto va a quedar mucho más claro cuando veamos ejemplos o,
si es que alguno de ustedes se anima en el futuro, tomar cursos de electrónica.
Como dije antes, esto es una pincelada de electrónica.
Aquí vamos a aprender algunas configuraciones,
algunos detalles para que conozcan que existen los BJT,
para que no se espanten cuando vean esto en un esquemático.
Pero no esperen ser expertos en este tema.
Estas son las ecuaciones del BJT.
Esto es para la región activa.
La corriente colector es una constante multiplicada por un exponencial
de V BE, voltaje base-emisor partido por VT que es otra constante.
Y esta constante, a temperatura ambiente vale del orden de 25.000 volts.
Vemos que la corriente colector además es beta veces la corriente de base.
Donde beta es un factor
que depende de cada BJT y que puede ser el orden de 100 por ejemplo.
Pero es sumamente poco poco estable, poco predecible.
Entonces generalmente diseñamos circuitos que no dependen de beta.
Eso nos hace intuir que en realidad hay corriente en la base.
Sí, efectivamente en la base de un BJT hay corriente pero es una corriente pequeña.
Esa es I sub B.
Y luego I sub C es mayor que I sub B en beta veces.
Eso es en región activa.
En corte, todas las corrientes son cero.
Corriente aquí es cero, corriente aquí es cero, corriente aquí es cero.
Y en saturación ocurre que este voltaje,
el voltaje colector-emisor, en saturación es del orden de 0.1, 0.2 volts.
Entonces ese es el voltaje que se pierde en este switch.
Las curvas estáticas de un BJT se presentan aquí en esta figura.
Tenemos voltaje colector-emisor por un lado, y tenemos corriente de colector.
Y vemos que las curvas crecen rápidamente hasta que se establecen.
Y cuando se establecen son constantes.
Y cada una de estas curvas depende de V BE.
Este es V BE pequeño, y este es V BE grande.
Entonces a medida que subimos V BE, estas curvas se van moviendo hacia arriba.
Entonces el BJT opera como una fuente de corriente constante aquí.
Y aquí opera como una resistencia relativamente pequeña.
¿Cómo determino si estoy
en región de operación activa o en región de operación de corte o saturación?
Hay una especie de receta de cocina que parte por asumir un supuesto,
y luego confirmar si ese supuesto está correcto o no.
Por ejemplo, podemos partir asumiendo que estamos en región activa.
Luego calculamos voltajes y corrientes usando ecuaciones para región activa.
Y luego determinamos si realmente estamos en región activa o no.
¿Cómo?
El resultado a esas ecuaciones puede implicar por, ejemplo,
que V CB sea mayor que menos 0.4 volts en un NPN.
O equivalentemente, que V CE sea mayor que 0.2 volts.
Si eso ocurre, estamos en región activa.
En un PNP todo se da vuelta, todos los signos se dan vuelta.
Entonces en un PNP, para estar en región activa,
V CE tiene que ser menor que menos 0.2 volts.
Entonces si eso se se cumple, si uno de estos dos se cumple
dependiendo del transistor que usemos, estamos en región activa.
Si no se cumple, entonces estamos en región de saturación.
Y en saturación lo que ocurre
es que el voltaje entre colector y emisor queda dado por el circuito externo.
Eso probablemente para efectos de diseño no es tan relevante
si ustedes usan un transistor que tenga un beta lo suficientemente grande.
Como dije anteriormente, cuando usamos el transistor en región de saturación,
lo usamos como un switch.
Entonces este transistor nos va a servir, por ejemplo,
para encender o apagar un motor.
O para comandar un parlante.
Algunos de esos ejemplos los vamos a ver más adelante.
Entonces, como dije antes,
el BJT puede actuar como amplificador o puede actuar como switch.
Cuando queremos usar el BJT como amplificador,
tenemos que configurarlo en la región de operación activa.
Como amplificador nos permite aumentar la amplitud de un voltaje o de una corriente,
y existen muchas configuraciones.
Hay tres tipos, de las cuales nosotros vamos a ver solamente dos.
Y son los de emisor común y colector común.
La configuración de emisor común, este es el típico esquemático.
Hay muchas formas, muchas variantes pero esto es el típico que se utiliza.
Tenemos que estas dos resistencias de aquí nos polarizan el voltaje base.
Estas resistencias aquí logran como efecto que el transistor,
o su punto de operación,
dependa poco de las características exactas del transistor mismo.
Y esta de aquí es la resistencia colector.
En estas condiciones la ganancia entre entrada y salida,
aquí está la entrada y aquí está la salida.
Esta es una ganancia AC solamente.
La ganancia AC entre entrada y salida es algo así como VO partido por VI.
Esa es, por definición la ganancia.
Y eso es aproximadamente igual a menos RC partido por RE.
Ecuaciones exactas no son muy difíciles de obtener
pero quedan fuera del contenido de este curso.
Ya son parte de un curso de electrónica de nivel universitario.
En este caso RCI y RL están en paralelo,
por tanto aquí deberíamos poner RL en paralelo.
No parecen estar en paralelo, pero insisto esto es parte de un curso universitario.
Para efectos de señales, tierra y un voltaje de alimentación son lo mismo.
Las señales creen que es lo mismo porque estos dos voltajes están constantes.
Por lo tanto estos dos están en la práctica
conectados para efectos de señales y estas dos resistencias quedan en paralelo.
Y esta sería entonces la ecuación para la ganancia.
Podemos emplearlo tambien como un amplificador de colector común.
De colector común opera como un buffer de voltaje.
Si nosotros aplicamos una señal aquí
lo que obtenemos acá va a ser una señal igual pero desplazada en voltaje.
Va a estar desplazada en aproximadamente en 0.7 volts más abajo.
Ese es el valor de Vbe.
Y este circuito sirve para manejar cargas.
Osea aquí podemos tener una salida,
por ejemplo, que tenga relativamente una alta impedancia.
Y este circuito convierte esa salida de alta impedancia en una salida de más
baja impedancia que permite cargar por ejemplo un parlante o incluso un motor.
No es muy eficiente en términos de consumo, pero hace,
hace la pega, hace lo que se busca.
Finalmente el BJT como interruptor que no es usarlo como amplificador,
sino que usarlo como encendido apagado es esta configuración que está aquí.
Nosotros aplicamos un voltaje entre base y emisor.
Ya dije que es del orden de 0.7 volts.
Y con ese voltaje el transistor se enciende, empieza a circular corriente
aquí, y esa corriente enciende, por ejemplo, este motor DC que hay aquí.
Y si nosotros queremos controlar la velocidad de este motor,
con este circuito tenemos que encender y apagar rápidamente,
con una señal estilo PWM o por modulación por ancho de pulso.
Y bajo esta modulación el valor de C de esta señal,
osea el valor promedio es lo que finalmente está energizando este motor.
Es importante mencionar que si nosotros queremos manejar este circuito
con un micro controlador tenemos que poner una resistencia aquí del orden de,
dependiendo de que corriente hagamos pasar ahí, pero del orden de 100 Ohm,
por ejemplo, o de un kilo Ohm puede ser razonable.
Y aquí está el pin de salida del micro controlador.
Entonces aquí tenemos un micro controlador que cada vez que enciende,
que cada vez que tiene una salida en alto,
va a hacer que este transistor, operando como switch este cerrado
y por lo tanto deje pasar corriente y al revés cuando su salida sea baja este
transistor se apaga, desaparece del circuito y el motor queda sin energía.
En la práctica existen muchos BJT que uno puede comprar en casas de electrónica.
Típico que uno usa el 2N2222, o el 2N3904 o 3906.
Este es NPN.
Este es PNP.
Hay otros TIP 122, TIP 127.
Hay algunos de estos que vienen en una configuración que se llama Darlington que
permite aumentar Beta a costa de voltaje base emisor, a costa de ancho de banda.
Y eso funciona super bien cuando uno quiere, por ejemplo,
encender o apagar motores, no tan rápido.
Estamos siendo muy laxos con esto,
lo sé pero es que, recuerden que esto es un curso introductorio.
Así se ve un BJT, así se ve un NPN o PNP para señales.
Así se ve un BJT de potencia,
este es un TIP 41 y así se ve uno de potencia que aguanta más corriente.
Este es un TIP 142.
Este es un Darlington, tiene Beta del orden de 1000.
Y eso concluye esta clase, muchas gracias.
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