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RADIO INSTITUTO CURSO DE CIRCUITOS DIGITALES LECCIÓN Nº 1 TRANSISTORES EN CIRCUITOS DE AUDIO - POLARIZACIÓN EN
CLASE A - AMPLIFICACIÓN SATURACIÓN Y CORTE - EN CIRCUITOS DE CONMUTACIÓN - INVERSIÓN
DE PULSOS Y PULSOS EN FASE CON NPN Y PNP - ESTADOS DE SATURACIÓN Y CORTE
NETOS - MONTAJE DÁRLINGTON - BATERÍAS DE GEL Y PLOMO ÁCIDO - CARGADORES DE
BATERÍAS - RÉGIMEN DE CARGA. Los transistores tienen
una multiplicidad de aplicaciones en todo circuito electrónico, desde las
etapas de R.F. de un simple receptor hasta la
salida de audio de un poderoso amplificador de cientos de Watts encontramos transistores de todo tipo y
potencia en infinidad de equipos. No es nuestra
intención abundar sobre éste tema que ya ha sido estudiado en nuestros cursos
de transistores ya sean de Radio, Televisión y Televisión color, pero en el
caso de Electrónica Digital su comportamiento y polarización son algo
distinto y creemos necesario dedicar un espacio a éste tema repasar algunos
conceptos importantes y poder apreciar las diferencias entre su uso en
amplificadores y en circuitos sometidos a conmutaciones rápidas y estados
absolutos (corte ó saturación) como es el caso de los digitales. TRANSISTOR COMO
AMPLIFICADOR DE SEÑALES DE AUDIO Veamos a continuación
como se desempeña un transistor polarizado convenientemente, como
amplificador de señales de audio en clase A o sea que trabaja en la parte
lineal de su curva característica. figura 1
Esto nos indica que el
transistor está conduciendo permanentemente. Ahora bien, al aplicar una señal
de alterna en su base, la onda de salida en colector, varía en amplitud en
forma proporcional a la amplitud de la señal que aplicamos en su base y queda
desfasada en 180 grados con respecto a la misma. Esto sucede del
siguiente modo: El medio ciclo positivo de la señal de entrada torna más positiva
la base pues se suma a la tensión de polarización existente. Al ser la base
mas positiva aumenta la corriente de colector- emisor, en consecuencia hay
una mayor caída de potencial en la resistencia de carga de colector y la
tensión en el mismo se reduce, dando lugar a la formación de un medio ciclo
negativo. Cuando actúa el medio
ciclo negativo de la señal en base, se produce el
efecto inverso, es decir, ahora la base disminuye su polarización pues en
éste caso se resta, en consecuencia también disminuye la corriente de
colector - emisor, dando lugar a una menor caída de potencial en la
resistencia de carga de colector, por consiguiente aumenta la tensión en el
mismo y de éste modo se forma el medio ciclo positivo. Al estar el colector a
un potencial igual a la mitad de la tensión de fuente, es fácil deducir que
ambos medio ciclos de la señal de salida tendrán la misma amplitud y en el
caso de una saturación por señal de elevada magnitud en base, el ciclo
completo saldrá con sus dos crestas achatadas en igual proporción.
Naturalmente, estamos considerando a la señal de entrada como una sinusoide
perfecta, si en cambio llega con alguna deformación, también saldrá por
colector con la misma deformación aunque de mayor amplitud. Lo dicho lo observamos en la figura 2.
Ahora el semiciclo
negativo llega rápidamente al corte porque solo hay 3 V de diferencia entre
la corriente de reposo y el 0, en cambio el positivo crece 9V hasta alcanzar
el nivel de la tensión de fuente Digamos que si se
incrementa mas la señal de base, también
se achata éste semiciclo debido a que además de estar mal polarizado, es muy
elevada la señal de la entrada. Las magnitudes de la
señal de salida se han tomado a los fines de información pues en realidad en
la práctica los valores de pico no son absolutos, es decir que el semiciclo
positivo no llega a 12 V y el negativo no desciende hasta cero aunque están
cerca de ello. LOS TRANSISTORES EN
CIRCUITOS DE CONMUTACIÓN Bien sabemos que la
técnica digital está basada en dos estados lógicos absolutos, que podemos
definir como afirmación y negación, todo o nada, abierto o cerrado, y
eléctricamente, positivo total, (alto) o negativo
general (bajo), éstas últimas definiciones son las que se adoptan en ésta técnica
y su notación es Positivo (nivel alto) = 1 (uno) y Negativo (nivel bajo) = 0
(cero) y éste es el lenguaje que emplearemos. Cabe destacar que en
el desarrollo de circuitos digitales en algunos puntos del mismo los niveles
no son absolutos, pero siempre se dará una gran diferencia entre un 1 y un 0,
de hecho los circuitos se diseñan de forma que un nivel próximo al 0 se tome
como 0 y otro cercano al 1, como 1. Un circuito de
conmutación es aquel en el cual el voltaje de salida se desplaza bruscamente
de uno a otro extremo (de positivo a negativo y viceversa) cuando se aplica a
la entrada una señal digital. Los transistores a
utilizar en éstos casos deben tener la
suficiente ganancia para que la onda cuadrada aplicada en su entrada no sufra
ninguna deformación en la salida, o sea que conserve perfecta simetría y sus
flancos ascendente y descendente se mantengan bien verticales. Normalmente todos los
transistores de silicio de usos generales que se encuentran en plaza son de
elevada ganancia para ser usados en circuitos de conmutación, solo hay que
polarizarlos adecuadamente para aprovechar al máximo sus características y no
sobrecargarlos a fin de evitar su calentamiento y posible destrucción. Según
la corriente y la tensión que se deba manejar, siempre habrá un transistor
adecuado. La corriente máxima
que puede circular de colector a emisor está limitada por la tensión de
polarización de base y el resistor o la carga de colector. Veamos a continuación
un ejemplo de polarización de un transistor NPN de usos generales tipo BC547. Según los manuales,
éste transistor soporta una tensión base-colector (Ucbo)
de 50 V, y una corriente máxima de colector (Ic) de
100 ma (0,1 A), los demás datos no
interesan en éste caso. Como nosotros lo vamos
a utilizar con una fuente de 12 V y una corriente muy inferior, diremos que
éste transistor es apropiado. En la figura 6 vemos
éste transistor con un resistor de carga de 2,2 K en su circuito de colector;
digamos de paso que la expresión resistor ó resistencia que estamos empleando
indistintamente, se refiere al mismo componente y es habitual emplear
cualquiera de ellas. La base del mismo está
conectada a través de un resistor de 10 K a la salida de un separador
inversor que bien podría ser uno de los seis que componen el circuito
integrado CMOS, CD4069. El emisor está
conectado a masa, o sea emisor común; recordemos que ésta denominación se
refiere a que, conectado de ésta manera, éste terminal es
común a la señal de base y de colector.
Mientras el separador
permanece en nivel bajo (0), no existe corriente de base y por lo tanto el
transistor está al corte - no hay corriente de colector. Cuando el separador
cambia de estado y pasa al nivel alto (1), la base se polariza positivamente
y el transistor se satura instantáneamente, pasando a conducir la máxima
intensidad que le permite su resistencia de carga. Veamos que está sucediendo
en el transistor de acuerdo a ésta polarización. Aplicando la ley de Ohm vemos que dicha corriente es la siguiente.
También en éste caso despreciaremos
la resistencia interna que ofrece la juntura base- emisor, que dadas las
tensiones con que estamos operando es de unos pocos cientos de Ohm, y al quedar en serie con 10 K no es significativa.
Igual que en el caso anterior:
Redondeando la cifra
diremos 1 ma. De acuerdo a éstos números, la
corriente total colector-emisor es de 6,6 ma,
ya que debe sumarse la corriente de base aunque en la práctica puede
despreciarse cuando los valores son muy bajos. Si queremos saber cual
es la resistencia interna aparente base-emisor, nuevamente aplicamos la ley
de Ohm y obtenemos:
El valor de tensión
que se toma es el que corresponde a la caída en la juntura, que en la
realidad varía entre 0,6 y 0,7 V. Recordemos de paso que las expresiones de R
- E - I en las fórmulas, están dadas por Resistencia en Ohm - Tensión en Volt -
Intensidad en Amper. Luego se reducen según la necesidad a K Ohm (Ohm X 1.000)
- mv (milivolt)
- ma (miliamper)
etc. De haber querido
"hilar fino" en los cálculos de la corriente de base, podríamos
optar por alguno de los métodos siguientes. Sumar la resistencia aparente de
la juntura base-emisor a la de 10 K con lo que entonces obtenemos:
O bien restar la caída de 0,7 V a los 12 V que
entrega el inversor y por lo tanto sería:
Como vemos el
resultado es el mismo, y la pequeña diferencia que existe al hacerlo sin considerar
la caída de la juntura, es totalmente despreciable. De todos modos para
lograr una corriente de colector de 5 ma,
partiendo de 1 ma en el circuito de base,
se necesita un transistor cuya ganancia de corriente (Beta ó Hfe) sea como mínimo igual a 5 (ganancia = Ic / Ib),
naturalmente todos los transistores tienen una ganancia muy superior; en el
caso del BC547 está entre 100 y 300, por lo tanto para ésta corriente de
colector podríamos lograr la saturación efectiva con menor corriente en base,
pero siempre es mejor trabajar con holgura, por supuesto dentro de los
límites permitidos. Observe que la señal
de salida en colector (Fig. 6) tiene la fase invertida con respecto a la
entrada; si necesitáramos la fase original se puede conectar el mismo transistor
como seguidor emisivo, con los mismos
componentes, entonces el circuito quedaría así: Figura 7
Todo lo expuesto está
basado en la situación que el separador entrega un pulso de salida alto (1) y
que el estado de reposo del mismo es un nivel bajo (0), si la condición fuera
la inversa, es decir reposo en 1 y pulso de nivel 0 podemos usar en igual
forma un transistor PNP, por ejemplo el BC557 que es complementario del
BC547, para conseguir idénticos resultados. Fig. 8, A - B Resumiendo: Si la
señal o pulsos que entrega el separador son de nivel alto, es decir
transición de 0 a 1, se usará un transistor NPN, si fueran de nivel
bajo, transición de 1 a 0, usaremos un transistor PNP. Lo expuesto está
referido a situaciones que se presentan algunas veces en circuitos digitales
donde se hace necesario el uso de transistores para acoplar las salidas de
circuitos integrados con otros elementos como ya veremos mas adelante, pero
generalmente si los integrados son de la misma familia, por ejemplo CMOS, las
conexiones entre ellos se hacen en forma directa (salida de uno con la
entrada de otro unidas), en cambio se hace necesario el uso de un transistor,
si tenemos que conectar la salida de un integrado CMOS a otro de la
familia TTL, como ya estudiaremos. También hay casos
donde se necesita que el transistor esté conduciendo permanentemente, es
decir en estado de saturación, y que pase al corte ante la presencia del
pulso, esto sería lo inverso de lo visto en las figuras 6, 7 y 8; es fácil
deducir que para lograr éste resultado los circuitos de las figuras quedan
como están y solo se reemplazan los transistores por los opuestos, o sea
donde hay un NPN se conecta un PNP o viceversa. Sería lo mismo que si
en éstas figuras, la polaridad del pulso que entrega el separador fuera de
nivel contrario al del gráfico, de éste modo los transistores conducirían permanentemente y pasarían al corte
cuando se presenta el pulso.
ESTADOS DE SATURACIÓN
Y CORTE NETOS A continuación vamos a
repasar brevemente los conceptos básicos sobre polarización de los
transistores de silicio para lograr una saturación efectiva y también
mantenerlos al corte con seguridad. Como hubo algunos alumnos de otros cursos
que no tenían muy claro éstos conceptos, nos parece importante recrear
nuevamente éste tema. Un transistor NPN
recibe en su colector el +B de la fuente en todos los casos, ya sea
directamente si está conectado como seguidor emisivo (Fig.7)
o a través de la carga, que puede ser una resistencia (Fig.6), un diodo led con su correspondiente resistencia de
limitación, la bobina de un relé etc. Salvo en el caso del
seguidor emisivo, el emisor se conecta
directamente a masa. EL ESTADO DE
CONDUCCIÓN SE LOGRA CUANDO LA BASE SE TORNA POSITIVA CON RESPECTO
AL EMISOR EN 0,6 A 0,7 V, ésta magnitud varía un poco entre las
diferentes partidas de transistores pero no es significativa como para tomar
en cuenta. La medición con
un tester se efectúa entre masa (punta
negra) y base (punta roja). Si bien entra en
conducción, esto no significa que esté saturado, pues la corriente de base
puede ser insuficiente; recién diremos que está saturado cuando la antedicha
corriente de base adquiere tal magnitud que la
tensión de colector se reduce a cero o un valor muy cercano. Algunas veces se
necesita una alta corriente de colector porque la carga aplicada al mismo así
lo requiere; tomemos por ejemplo un relé cuya
bobina tiene una resistencia de 50 Ohm, y que
debe comandarse mediante un transistor desde una fuente de 12 V, como el caso
de los ejemplos anteriores. En éste caso se toma
el bobinado como resistencia pura, porque trabaja en corriente continua; si
fuera en corriente alternada, se tomaría el valor de reactancia inductiva
(XL), que varía según la frecuencia, pero que siempre es mucho mayor. Veamos
que consumo tiene éste relé, sabiendo que todo
ha de circular a través del transistor que utilicemos para su gobierno. Los cálculos son los
mismos que los efectuados para la figura 6, o sea:
Por de pronto ya no
podemos utilizar el BC547, cuya corriente máxima admisible es de 100 ma, pero podemos sustituirlo por un BC337 que tiene un
máximo de 800 ma. Siempre es conveniente
no superar el 50% de la corriente que entregan los transistores, ya que éstos valores son dados como límite y en condiciones
de corta duración. En el caso que nos
ocupa, 240 ma es un valor que soporta sin
dificultad un BC337. Ahora bien, si la señal que aplicamos a su base, tiene
la suficiente amplitud (tensión) y suficiente intensidad (amper),
no habrá dificultad y la corriente de base también será suficiente para
saturar el transistor, que conmutará en forma efectiva el relé. Pero puede suceder que
dicha señal tenga buena amplitud pero de baja intensidad, y por más reducida
que sea la resistencia de base que conectemos no se pueda lograr la
saturación plena y en cambio se produzca una sobrecarga en el componente que
entrega ésta señal. Esto requiere una solución que en realidad es simple. Se utiliza además del
BC337, otro transistor NPN que puede ser de baja potencia, por ejemplo el
BC547 y se los monta en Dárlington. Bien, como no se puede
lograr la conducción plena del BC337 porque la señal es débil y la corriente
de base del mismo la absorbe casi totalmente sin llegar a saturarlo
plenamente, esto quiere decir que hay que lograr previamente una ganancia en
corriente y ésta corriente aplicarla a la base del BC337; esto es lo que se
logra con el montaje Dárlington. Figura 9.
De éste modo la
resistencia de base del 547 puede ser elevada ya que necesitamos una
corriente mucho menor en la misma. Supongamos que la
ganancia (Beta ó Hfe) de cada transistor sea
de 100; al montarlos en Dárlington la
ganancia total pasa a ser igual a 100 X 100 o sea de 10.000 veces, lo que
significa que una corriente de base de tan solo 0,000040
A (40 microamper) en la base del BC547,
se traduce en una magnitud de 0,400A (400 miliamper)
de corriente de colector en el BC337,(0,000040X10.000),con lo que se logra la
ganancia más que suficiente para el buen funcionamiento de la carga, en éste
caso el relé. Diremos que en plaza
existen transistores Dárlington ya
encapsulados en una sola unidad, y de distintas potencias, aunque el
montaje descripto no ofrece dificultad y
generalmente es mas económico. BATERÍAS En determinadas
ocasiones es necesario emplear una batería en el equipo, tal el caso de una
central de alarma, y no sería razonable el uso de dos fuentes de
alimentación, una para la central y otra para cargar la batería;lo que se hace es adaptar la fuente para que
cumpla las dos funciones sin dificultad Antes de entrar en los
detalles de la fuente, vamos a analizar brevemente las características de los
dos tipos de baterías más comúnmente usadas. Nos referimos
concretamente a las comunes, denominadas de plomo-ácido y las de gel. Ambas poseen
compartimientos donde se alojan las placas de plomo y los separadores
correspondientes y la diferencia entre ellas consiste en el electrolito
utilizado. Se denomina electrolito al líquido que se emplea para llenar cada
compartimiento y que debe ser suficiente para cubrir y sobrepasar un
centímetro las placas, sin llegar al llenado total. El electrolito citado, se
trata de ácido sulfúrico, el cual es muy corrosivo por lo que hay que tener
cuidado en su manipulación. En los procesos de
carga y descarga el ácido tiene acción de electrólisis y libera hidrógeno y
oxigeno lo que equivale a una pérdida de su volumen, o sea que se reduce la
cantidad en los compartimientos (celdas) . Esto
es así porque la liberación de Hidrógeno y oxígeno equivale a agua pura
(H2O), por éste motivo hay que agregar periódicamente agua destilada para
cubrir nuevamente las placas y normalizar la densidad del ácido. En las
baterías de gel esto no ocurre porque el
ácido ha sido combinado con otros compuestos químicos y no se encuentra en
estado líquido sino gelificado; sería algo
parecido a una miel espesa. Como en éstas no hay que reponer agua, se las denomina
sin mantenimiento. Cada celda, o
compartimiento de las placas, tiene una diferencia de potencial de 2 Volt y se conectan en serie para lograr la tensión
nominal de la batería, así para una de 6 V, hay tres celdas unidas en serie,
y para 12 V, 6 celdas. El Amperaje ó cantidad de energía que puede almacenar
lo da la superficie total de las placas, lo que en definitiva forma el tamaño
de la batería. Así es que una batería de 12 V X 60 A , tiene la mitad del tamaño de otra de 12 V
X 120 A. PROCESO DE CARGA Hemos dicho que cada
celda tiene una tensión nominal de 2 V, lo que significa que una vez
terminada su construcción y puesto el ácido en sus celdas, se produce
inmediatamente una reacción química que las lleva a éste potencial, sin
embargo se debe considerar descargada, porque si bien obtenemos los 12 V, el
amperaje que se dispone es muy escaso. Cuando se somete a
carga, cada celda comienza a elevar su tensión a medida que va acumulando
amperes. Se dice que una celda está plenamente cargada cuando su tensión
llega a los 2,4 V, pero cuidado, ésta es la tensión límite que soporta, más
allá, comienza su degradación. La carga que
consideramos ideal es cuando la celda adquiere 2,3 V, lo que significa que en
una batería de 12 V, la carga estará a pleno cuando la tensión entre bornes
sea de 13,8 V, (6 X 2,3) y en una de 6 V , 6,9
V , (3 X 2,3). De todos modos en la práctica una batería que supere los 13 V
podemos considerarla cargada. Estos valores se dan mientras la batería esté
conectada con el cargador, luego al desconectarla, la tensión cae 1 Volt aproximadamente porque siempre trata de
ubicarse en su tensión nominal. Si pretendemos
"tratar bien" a una batería, no se debe superar el régimen de carga
más allá del 10% de la capacidad de la misma en las de plomo-ácido,
y del 5% en las de gel; por
ejemplo una batería comúnmente usada en centrales de alarma tiene una
capacidad de 7 A, por lo tanto si es de plomo-ácido debe cargarse a un
régimen máximo de 700 ma, y si es de gel, a 350 ma. De éste
modo la batería estará cargada a pleno en 10 horas y 20 horas
respectivamente. Este tiempo es aproximado, porque existe un valor de
resistencia interna de la batería que varía con la antigüedad y que tiende a
descargarla naturalmente, aunque muy lentamente. Si el régimen de carga es
menor, igual se llegará a la plenitud, simplemente tardará más tiempo. FUENTE REGULADA Y
CARGADOR DE BATERÍA En la figura 10
representamos el esquema de una fuente que ha sido preparada para alimentar
un equipo de 12 V y a la vez mantener en carga una batería también de 12 V. El transformador
elegido posee un secundario de 15 V, lo que da una tensión rectificada y
filtrada de 19,75 V , que es aplicada a la
entrada del regulador 7812. La salida del mismo se conecta con el borne
positivo de una batería de 12 V 7 A a través de una resistencia de
1 ohm y 1 watt de
disipación que limita la corriente de carga. De éste punto se toma la
alimentación del equipo a través de un diodo que cumple dos funciones. Una de
ellas es reducir la tensión en 0,7 V a fin de no sobrepasar los 13 V en el
circuito, y la otra es como protección del equipo en caso que por error se
conecte la batería con la polaridad invertida. Efectivamente si esto
pasara no habrá circulación de corriente porque como ya sabemos un diodo solo
conduce con positivo en el ánodo. De no ponerlo, una situación de éstas puede
llegar a destruir circuitos integrados y otros componentes del equipo que no
soportan una alimentación con la polaridad invertida. Dicho diodo puede ser
un 1N4007 o similar para 1A o más.
Como vemos esto se
consigue fácilmente elevando el potencial de la referencia mediante el uso de
diodos. Cada diodo introduce una caída de 0,7 V que se verá reflejada en un
aumento igual en la tensión de salida, por ello es que usamos dos en serie,
para lograr un aumento de 1,4 V. Podríamos haber
utilizado tres, pero en ese caso la salida se eleva a 14,1 V, y si bien
todavía estamos dentro de los parámetros de carga de una batería de 12 V,
preferimos no trabajar tan al límite. Como la corriente que
drena la referencia es de baja intensidad, pueden utilizarse diodos corrientes
de usos generales como son los 1N4148 ó 1N914 que soportan hasta 50 ma. Este tipo de cargador
se denomina "cargador a flote" por sus características, ya que al
principio de la carga la corriente es elevada, pero dentro de los límites
permitidos, y luego disminuye en las cercanías de los 13,4 V, para finalmente
quedarse "flotando" en ésta tensión, con lo cual tenemos la
seguridad de no sobrecargar nunca la batería, la que puede estar conectada
permanentemente. RADIO INSTITUTO |
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