EL INTERRUPTOR A TRANSISTOR Un circuito básico a transistor

EL TRANSISTOR COMO CONMUTADOR
INTRODUCCIÓN
1.- EL INTERRUPTOR A TRANSISTOR
Un circuito básico a transistor como el ilustrado en la Figura 1 a), conforma un
circuito inversor; es decir que su salida es de bajo nivel cuando la señal de entrada es
alta y viceversa.
El mismo está calculado de manera que el transistor esté en la zona de corte (punto
B) o saturación (punto A), Figura 1 b), dependiendo si el valor de la función de entrada
vale 0 ó +V respectivamente. Trabajando de esta manera, el transistor se comporta como
un interruptor controlado, realizando transiciones entre la saturación y el corte.
Se observa que el interruptor está controlado por la corriente de base: Cuando el
transistor está al corte no fluye corriente y el interruptor está abierto; cuando el transistor
está saturado fluye la máxima corriente de colector y el interruptor está cerrado.
Vcc
IC
R3
C
A
+V
V+V
i
0
T
R1
B
R2
a)
VCE
b).
Figura 1: Circuito de conmutación básico: a) Configuración. b) Recta de carga y
puntos de funcionamiento.
1.1 Tiempos de conmutación del transistor
En la Figura 2 se representa la respuesta del transistor del circuito de la Figura 1
cuando se aplica a su entrada un impulso rectangular.
Desde el instante en que la tensión aplicada en el borne Vi pasa del valor 0 a +V
hasta que la intensidad de colector alcanza el 90% de su valor final Ics y el transistor llega
a la saturación, se observa que transcurre un cierto tiempo llamado ton. Igualmente, desde
que la tensión en el borne Vi pasa del valor +V a 0 hasta que la intensidad del colector
alcanza el 10% de Ics transcurre un tiempo llamado toff. Siendo ton el tiempo de
conmutación del estado de corte al de saturación o tiempo de encendido, mientras que a
toff se lo denomina tiempo de conmutación del estado de saturación al corte, o tiempo de
corte o apagado.
Tiempo de retardo: td (delay time): Intervalo de tiempo entre el punto
correspondiente al instante de aplicación de la señal de entrada y el punto en que la señal
de salida toma el 10% de su valor final.
Este tiempo de retraso se debe, principalmente a dos factores:
1.- Cuando un transistor actúa como conmutador, se lo polariza inversamente para
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llevarlo al corte, con lo cual la capacidad de la juntura base-emisor se carga a ese valor de
tensión negativa; por tal razón para pasarlo a la conducción (saturación) se necesita de
cierto tiempo para descargar y cargar ese condensador. A mayor valor de polarización
inversa mayor será ese retardo.
2.- Se requiere de cierto tiempo para que la corriente de emisor se difunda a través
de la región de la base.
VE
+V
0
to
t1
t
Figura 2: Tiempos de conmutación del transistor
Tiempo de subida o crecimiento: tr (rise time): Intervalo de tiempo entre los
puntos correspondientes al 10 y 90% de la forma de onda ascendente de la corriente de
colector.
El tiempo de crecimiento es una función de la frecuencia de corte alfa, fα; y también
depende inversamente de la cantidad de corriente de apertura; mientras mayor sea la
corriente de apertura, menor será el tiempo de crecimiento.
Tiempo de almacenamiento: ts (storage time): Intervalo de tiempo entre el
instante en que la tensión de entrada comienza el descenso y el punto correspondiente al
90% de la forma de onda descendente de la corriente de colector.
El tiempo de almacenamiento es una función de hfe, y de las corrientes de apertura y
cierre.
La no respuesta del transistor durante el tiempo ts a la anulación de la excitación, se
debe a que el transistor en saturación tiene una carga en exceso de portadores
minoritarios almacenados en la base. El transistor no puede responder hasta que ese
exceso de carga de saturación se haya eliminado. En el caso extremo este tiempo ts puede
ser de dos a tres veces el tiempo de subida o de bajada a través de la región activa. Al
emplear transistores de conmutación donde la velocidad resulta de verdadero interés, la
mayor ventaja se obtiene cuando se reduce el tiempo de almacenamiento.
Se puede reducir el tiempo de almacenamiento proporcionando una corriente
inversa de base de manera que extraiga los portadores en exceso de la base, aumentando
así la velocidad de disminución del número de portadores almacenados en exceso.
Un condensador C, llamado condensador de rapidez, elegido apropiadamente y
colocado en paralelo con la resistencia de base (Figura 1-a) hará que ts se reduzca
considerablemente.
El condensador de rapidez también proporciona un impulso de corriente inicial
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cuando el transistor se conmuta al estado de conducción, reduciendo de este modo el
tiempo de retardo (td) y el de subida (tr).
Tiempo de caída tf (fall time): Intervalo de tiempo entre los puntos
correspondientes al 90 y 10% de la forma de onda descendente de la corriente de colector.
Tiempo de conexión o encendido TON = td + tr: Resulta de la suma de los
tiempos de retardo td y de subida tr . Es el tiempo total para pasar del corte a la
saturación.
Tiempo de desconexión o apagado TOFF = ts + tf: Es la suma de los tiempos de
almacenamiento tS más el de caída tf. Es el tiempo total para pasar de la saturación al
corte.
Tiempo total de conmutación TT = (td + tr) + (ts + tf) = TON + TOFF
Los tiempos de encendido (TON) y apagado (TOFF) limitan la frecuencia máxima a la
cual puede conmutar el transistor.
En la Tabla 1 se detallan los tiempos de respuestas de algunos transistores
utilizados en conmutación, de acuerdo a las hojas de datos dadas por el fabricante.
Aplicaciones
Transistor
Pot.
hfe
(mín/máx)
td
(ns)
tr
(ns)
ts
(ns)
tf
(ns)
ton
(ns)
toff
(ns)
(MHz)
100/300
15
20
200
60
35
250
300
fT (mín)
PXT2222A
–NPN-(Philips)
Propósitos
grales.
Ptot= 1,25W
PMBT2369
–NPN-(Philips)
Alta Velocidad
Ptot= 250 mW
40/120
4
6
10
10
10
20
500
MPS3904
–NPN-(Philips)
Propósitos
generales.
Ptot= 500mW
100/300
50
60
1000
200
110
1.200
180
Tabla 1: Valores comparativos de los tiempos de conmutación de diferentes
transistores.
www.chipcatalog.com/Cat/835.htm
www.datasheet4u.com
www.datasheetcatalog.com/philips/70/
www.alldatasheet.co.kr
En los circuitos interruptores a transistor, el tiempo de encendido: TON de un
transistor, definido anteriormente como el retardo de tiempo entre el instante de aplicación
de un pulso de entrada y el momento en que la corriente de salida toma el 90% de su
valor final, NO es el que se utiliza para analizar el retraso de la propagación, por dos
motivos: 1º, la entrada a la puerta no es un impulso cuadrado, sino que tiene un tiempo
de subida no nulo, y 2º, la entrada no necesita alcanzar el 90% de su valor para que la
puerta cambie de estado. Por lo tanto el tiempo que se utiliza es el tiempo de propagación:
Tiempo de retardo de propagación: El tiempo que tarda un interruptor a
transistor en responder a una señal de entrada es lo que se llama tiempo de retardo de
propagación tpd. La Figura 3 ilustra gráficamente los conceptos tpdf y tpdr aplicados al
caso de un circuito que realiza la función lógica inversión.
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Figura 3: Tiempo de retardo de propagación
tpdr = tpd,LH = tpd+ = Tiempo de retraso cuando la salida alcanza el 50% del nivel
al pasar del nivel bajo al alto.
tpdf = tpd,HL = tpd- = Tiempo de retraso cuando la salida del interruptor alcanza el
50% del nivel al pasar del nivel alto hacia el nivel bajo.
Ordinariamente tpd+ es mayor que tpd- a causa de la inevitable capacidad en la
salida del interruptor.
Por lo tanto el tiempo que tarda un interruptor a transistor en responder a una señal
de entrada, definido como tiempo de propagación medio, es la media aritmética entre los
tiempos medios de propagación del cambio de estado de la entrada a la salida en los casos
en que ésta pasa del estado 1 al 0, y viceversa, es decir:
tpd= (tpdf + tpdr) / 2
Con lo cual la frecuencia máxima de utilización del transistor estará dada por:
fmáx.=1/2 tpd
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2.-LIMITACIONES DE FRECUENCIA DE LOS TRANSISTORES
Ciertos transistores presentan una ganancia aprovechable en frecuencias de cientos
de MHz, mientras que otros no funcionarán con frecuencias superiores a los 50 kHz.
Las características dadas por los fabricantes o los manuales de transistores indican,
por lo general, uno o más parámetros que describen el comportamiento de los transistores
en función de la frecuencia. Los tres parámetros de frecuencia más comúnmente indicados
son:
Frecuencia de corte beta o de emisor común: fβ, es la frecuencia para la cual la
ganancia de corriente hfe, del transistor en configuración emisor común cae 1/ 2 = 0,707 ,
por lo tanto fβ es la frecuencia de corte en la que la ganancia en corto circuito en
configuración emisor común, cae 3 dB, Figura 4.
Figura 4: Características frecuenciales.
Frecuencia de transición o de corte: fT, Se define como la frecuencia para la cual
la ganancia de corriente, hfe, del transistor en configuración emisor común, se hace igual a
la unidad, con lo cual se considera que es la máxima frecuencia de operación del
transistor.
∆i =
iC
= h fe = 1
ib
∆i (dB) = 20 log 1 = 0 dB
Se deduce también que fT = hfe. fβ, llamado producto ganancia-ancho de banda.
Frecuencia de corte alfa o de base común: fα, es la frecuencia para la cual la
ganancia de corriente hfb (α), en configuración base común cae 0,707; por lo tanto fα es la
frecuencia de corte en la que la ganancia de corto circuito en configuración base común,
cae 3 dB.
Bibliografía:
BOYLESTAD Robert, NASHELSKY, Louis; Electrónica: Teoría de circuitos y dispositivos electrónicos. Pearson
Educación. México, 2003.
MANDADO Enrique; Sistemas Electrónicos Digitales. Marcombo Boixareu Editores. Barcelona, 1991.
SCHILLING Donald, BELOVE Charles; Circuitos Electrónicos, discretos e integrados. Marcombo Boixareu
Editores. Barcelona, 1985.
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