Transistor como Interruptor bipolar BJT - Corte y Saturación


Paso 1: Qué queremos controlar?

Ejemplo construiremos un control para Relé, similar a los módulos comerciales.



Que necesitamos calcular o conocer:

  1. Relé (Tensión de bobina y Consumo).
  2. Transistor (Tipo, Tensión, Corriente, Ganancia).
  3. Tensión de Alimentación.
  4. Señal de Control.

Paso 2: Elegir el Relé

Nuestro componente a controlar es el Relé, basaremos la elección de los
componentes en las características del Relé.
Rele tipo G5L de OMRON:

  1. Tensión de Bobina: 5Vdc.
  2. Corriente de Bobina Estimada: 79.4mA.
  3. Impedancia de la Bobina Estimada: 63Ω.

Necesitamos un Transistor que pueda controlar por lo menos 6V y 100mA como mínimo (siempre mayor). En base a esto vamos a buscar el transistor adecuado.

Paso 3: Elegir el Transistor

Vamos a buscar un transistor que nos proporcione las características eléctricas
mínimas para lograr controlar la carga (el Relé).




Transistor NPN 2N3904:

  1. Tensión Colector-Emisor (Vce): 40V max.
  2. Ganancia a Ic=100mA (hFE): 40.
  3. Corriente máxima de Colector (Ic): 200mA max.

Siempre utilizamos características mayores en un componente para que el mismo soporte la carga de forma correcta, debemos ver el Datasheet.

Paso 4: Plantear el Diseño

Dentro de los transistores Bipolares (BJT) podremos optar por NPN o PNP, en este caso la configuración más sencilla es NPN en Emisor Común.

Trabajaremos en Corte y Saturación, ya que es la zona en donde el transistor se
comporta como una llave electrónica, también denominada Clase E.
Esta configuración requiere de un transistor, una polarización de base y una fuente de
alimentación simple.

Paso 5: Plantear Ecuaciones


  • Corriente de Base (Relación entre Corriente de Colector y Ganancia).
  • Corriente en R2, Este es un dato que puede variar, se estima diez veces menos que la Corriente de Base.
  • Resistencia R2 (Pull-Down), Dependiente de la tensión Juntura Base-Emisor (650mV aproximadamente según
  • datasheet).
  • Corriente en R1 (Resistencia de Base o RB), debemos sumar las corrientes salientes de la rama.
  • Resistencia de Base R1 o RB, calcularemos este valor en base a la tensión de control y la corriente ya calculada.


Paso 6: Plantear los Datos

Datos:

  • Alimentación: 5Vdc
  • Entrada Señal: 3.3Vdc
  • Rele: Omron G5L - 5Vdc - 79.4mA - 63Ω
  • Transistor: NPN 2N3904 - hFE: 40 @ Ic=100mA, Vbe=650mA
  • Diodo: 1N4148 - VR: 75V


Paso 7: Realizar los Cálculos



Paso 8: Simulación de Circuito

Resultados de Simulación:

  • Ic: 76.24mA
  • Ib: 1.95mA
  • Vbe: 707mV
  • Vce: 196mV
  • IR1: 2.16mA
  • IR2: 214uA

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Fuente Simétrica desde USB con Step-Up



En este proyecto realizaremos una fuente de alimentación del tipo StepUp con salida simétrica, es decir, obtendremos una salida de por ejemplo +/-10V, o la tensión que ustedes requieran.



En este caso he implementado una fuente StepUp basada en el circuito integrado MT3608, este circuito integrado es una fuente DCDC que requiere muy pocos componentes externos, algunas características:


  • MOSFET integrado de potencia con 0,08 Ohms
    • Esto nos provee una opción muy potente integrado en el pequeño package SOT23-6
  • Entrada desde 2V hasta 24V
    • Podemos alimentar desde 2 pilas AA, un puerto USB, una batería de 9V, de 12V, etc..
  • Frecuencia de operación 1.2MHz
    • El uso de frecuencia del orden del MHz, nos permite utilizar inductores mas pequeños. Pero algo muy interesante es que el ruido eléctrico generado por el oscilador se encuentra en frecuencias altas, lo cual podríamos trabajar con circuitos de Audio y no nos molestaría el ruido eléctrico del oscilador como en otras fuentes DCDC de frecuencias de operación de 50 o 100kHz.
  • Tensión ajustable de salida
    • Un simple feedback con dos resistencias como todos los DCDC
  • Corriente de salida de hasta 2A
    • Es un valor de corriente mas que aceptable para la salida, pero hay que tener en cuenta la conversión de tensión en cuanto a la potencia
  • Corriente de pico switch de 4A
    • Como toda DCDC de algún lado hay que sacar la energía como para elevar a la salida...
  • Salida de hasta 28V
    • Una tensión aceptable para muchos proyectos que podremos hacer
  • Eficiencia del 97%
    • Claramente es un dato muy bueno, casi ideal podríamos decir
  • Protección de sobre tensión y corriente
    • Nunca están de mas estas protecciones!

Como podemos ver en las especificaciones, tenemos varios items tentadores.

El circuito de la fuente es muy simple, aunque en la realidad conviene comprar el modulo ya armado porque tiene un costo menor que comprar los componentes sueltos.
Podríamos optar por des-soldar los componentes del modulo para ponerlos en nuestro propio PCB, o podríamos soldar los 4 pines del modulo en otro PCB, es completamente valido.

Una vez que tenemos ya funcional la fuente, tendremos que realizar la salida simétrica, es decir, tenemos que tomar la tensión máxima de salida y dividirla en dos, por ejemplo, si la salida es de 24V, entonces podríamos tener una salida a Vcc/2, de 12+12V, o +12 y -12V, para esto podemos implementar una masa virtual (aunque hay integrados que son para realizar este punto medio, o bien con un operacional podríamos hacerlo también).
Vamos a utilizar el típico divisor resistivo de igual valor, en mi caso he utilizado 4 resistencias de 22k, porque al utilizar 22k en paralelo con 22k, tendremos 11k (claramente), pero si alguna de las dos resistencias tiene un error de tolerancia o dispersión, podremos compensarlo con la otra que tiene en paralelo.
Luego quedaría el equivalente a dos resistencias de 11k en serie, donde el punto medio es Vcc/2.
Para finalizar agregaremos dos capacitores en serie de unos 470uF para mantener la carga en ese punto medio.

El circuito:


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Inversor 12Vdc a 220Vac 50W con 555



Este circuito es un simple inversor de 12Vdc a 220Vac en 50Hz, que nos provee unos 50W aproximadamente a partir de un transformador de 9+9V @ 2A, si bien es algo pequeño el transformador, podemos utilizarlo para pequeñas cargas, o bien podríamos utilizar un transformador mas grande para lograr mayor potencia.

En este caso el oscilador esta conformado en base al timer 555, este timer nos provee una salida cuadrada, pero nosotros necesitamos una salida simétrica desfasada 180° para lograr la oscilación de potencia en configuración push-pull con el transformador y su punto medio.
El circuito de potencia se encuentra diseñado en base a transistores MOSFET de alta potencia IRFZ44, con estos nos sobra la corriente ya que en la practica hemos obtenido unos 3.5A de consumo aproximado.

La clave del mosfet en clase E (Corte y Saturación) es que se mantenga el menor momento posible en transición de 1 a 0, o de 0 a 1, este tiempo de transición es el que debemos reducir porque el transistor al pasar un tiempo largo en esta transición entrara en zona ohmica (en el área dinámica donde se utiliza como amplificador) y generara calor


Por esta razón los transistores MOSFET suelen utilizarse junto a Drivers Fet, estos son circuitos integrados que tienen la única función de controlar o manejar el gate de un MOSFET de potencia para reducir al máximo este problema.

También se lo puede implementar con transistores discretos, pero en mi caso he implementado un driver Fet en base a compuertas Schmitt Trigger, estas compuertas poseen la particularidad de ser anti-repique y re-conformar un pulso, estas características son las que nos ayudan a mejorar el tiempo de transición del FET y así lograr la mejor eficiencia en el transistor.



En el circuito nos aprovechamos de que el integrado utilizado (40106) posee 6 compuertas inversoras Schmitt Trigger, para lograr obtener una salida 180° desfasada de la otra. 

El circuito:


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Medidor de Bobinas o Inductancias con 555 y Multimetro


Este es un circuito muy simple que no puede faltar en el taller, se trata de un medidor de bobinas o inductancias basado en el timer 555, se requiere únicamente un multimetro o tester que pueda medir tensión continua.
El principio de funcionamiento se basa en un oscilador astable donde generamos una señal cuadrada de al rededor de 100kHz, dicha señal es inyectada a un circuito tanque LC que, como sabemos, responde a la frecuencia variando su inductancia en función de la frecuencia. 
Nos aprovecharemos de esto para medir un nivel u otro de tensión en base a la respuesta en frecuencia.

Que quiere decir esto?, 
El circuito LC es un circuito que va a obtener una curva de respuesta en frecuencia similar a la de la figura de abajo (donde tenemos frecuencia mas baja a la izquierda, y frecuencia mas alta a la derecha), en el medio podremos ver el punto máximo en donde el circuito tanque LC entra en resonancia, este punto es el que nosotros queremos medir con el multimetro.



Para ello utilizamos un detector de envolvente con un diodo y un filtro RC para eliminar del todo la frecuencia y que solamente midamos la componente continua del sistema.
En este circuito lo que debemos hacer es primero realizar una calibración, para esto vamos a utilizar una bobina conocida (por ejemplo una bobina comercial comprada de unos 100uHy) entonces vamos a medir esta bobina y tenemos que medir en el multimetro 100mV, para esto debemos ajustar el potenciometro de manera que lleguemos a este valor.
Una vez ajustado podremos cambiar la bobina por otra y ver que valor nos da.
En la practica he obtenido muy buenos resultados con bobinas comerciales y caseras.
Este equipo no reemplaza a un medidor comercial pero, puede sacarnos de apuros en muchas ocasiones.

El circuito:





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