Transistores BJT #06 - Espejos de corriente con salida múltiple

Espejos de corriente

Salida múltiple

Introducción

Al diseñar espejos de corriente, es común querer reflejar la corriente en más de una carga al mismo tiempo. Con este fin en mente es que se suelen emplear los espejos de corriente con salida múltiple, de modo que en un circuito complejo con varias cargas se configura la corriente desde un solo punto.

Circuito

Tomamos como base el espejo de corriente básico, le agregamos un transistor y conectamos las bases de la siguiente manera:

 

Figura 1: Espejo de corriente con salida múltiple

Nótese que Rcarga1 y Rcarga2 son las cargas conectadas a los transistores de salida Q2 y Q3 respectivamente. Estas cargas pueden tener valores distintos, la corriente que pasará por las cargas serán casi idénticas al fin y al cabo, como muestra la siguiente simulación:

Figura 2: Resultado de la simulación del Espejo de corriente con salida múltiple. Rojo: corriente configurada; Azul: corriente de salida Q2; Naranja: corriente de salida Q3.

La corriente configurada es ligeramente distinta a ambas corrientes de salida (una diferencia de 20uA), y estas dos corriente de salida son similares entre sí. No olvidar que el simulador asume que los transistores son idénticos, lo cual no es real como ya vimos en entradas del blog anteriores.

Así mismo, es posible agregar más transistores de la misma manera y agregar más salidas al espejo de corriente, además el costo de un transistor es bastante "económico" por lo que resulta muy conveniente. Incluso, es posible generar salidas con corriente proporcional a la corriente de configuración, pero esto último será parte de otra entrada del blog.

Conclusiones

• Es posible agregar salidas al espejo de corriente.
• El costo de agregar una salida es muy reducido.
• La corriente reflejada en cada transistor de salida es la misma.

Transistores BJT #05 - Espejos de Corriente: Espejo Wilson

Espejos de Corriente

Espejo Wilson

Introducción

Anteriormente hemos visto el espejo de corriente básico. Una de las limitaciones mencionadas fue el Efecto Early. A continuación veremos qué es el efecto Early, el diagrama del cicuito del espejo Wilson y explicaremos cómo este circuito elimina el efecto Early.

Efecto Early:

El efecto Early ocasiona que el voltaje base-emisor Vbe varíe un poco cuando el voltaje del colector cambia, dada una corriente que circula por el transistor.

Con el espejo de corriente visto anteriormente, haremos una pequeña simulación en la que variaremos la resistencia de carga, esto hará que el voltaje en el colector cambie y por el efecto Early esto tendrá un impacto en Vbe por tanto en la corriente reflejada:

 

Figura 1: Espejo de Corriente básico.

 Figura 2: Resultado de la simulación al variar la carga. Rojo: corriente de Q1; Azul: corriente en Q2.

Se observa que al variar la carga y por tanto el voltaje colector-emisor Vce, la corriente reflejada no es constante. A esto se le denomina efecto Early.

La variación máxima en este caso es de 45uA. Para 1mA de corriente reflejada esto es un 4.5%. Dependiendo del caso y los valores de los componentes, este porcentaje puede ser aún mayor.

Espejo de corriente Wilson:

Con el fin de reducir el efecto Early, se agrega un transistor adicional Q3 y se cambia un poco el diseño. El Vce de Q1 sigue siendo fijo pero ahora con el valor de dos caídas de voltaje. A diferencia del espejo de corriente básico, en este espejo de corriente el Vce de Q2 es ahora fijo con un valor de una caída de voltaje. De este modo, el efecto Early, ocasionado por las variaciones de la carga, no afectaran la corriente reflejada.

 

Figura 3: Espejo de corriente Wilson.

 Al realizar la simulación del diagrama de la figura 3, vemos el siguiente resultado:

 

Figura 4: Simulación del Espejo de corriente Wilson al variar la carga. Rojo: corriente de Q1; Azul: corriente de Q2.

 Se observa que la diferencia de la corriente entre Q1 y Q2 es casi constante al variar la carga y que además la diferencia es de 6uA aproximadamente. Para una corriente configurada de 1mA, esta diferencia representa menos del 1%.

Conclusiones

• El espejo de corriente Wilson es una variación del espejo de corriente básico.
• Requiere tan solo un componente adicional: un transistor.
• Mejora considerablemente la precisión de la corriente reflejada y la hace resistente al efecto Early.

 

Transistores BJT #04 - Espejos de corriente

Espejo de Corriente

Introducción

Dentro del campo de los circuitos integrados, es común tener como objetivo que las corrientes que circulan dentro de estos sean iguales o que estén en proporción a una corriente base; con este fin en mente, se diseña el espejo de corriente.

Circuito Básico

En el siguiente circuito se puede observar que el espejo de corriente más sencillo se logra mediante dos transistores. Esta es la versión con transistores PNP Provee corriente a la resistencia de carga Rcarga.

Figura 1: Espejo de corriente básico. Versión PNP.

También es posible tener la versión con transistores NPN, en esta versión se hunde la corriente a tierra:

 

Figura 2: Espejo de corriente básico. Versión NPN.

Funcionamiento básico:

En las figuras 1 y 2, lo esencial es saber que la corriente en Q1 se refleja en Q2. 

Tomemos como ejemplo la figura 1:

La corriente que pasa por Q1 es aproximadamente la misma corriente que circula por Rconf. Para determina esta corriente se toma por ley de ohm:

(Vcc - Vbe) / Rconf = Iconf

(5V - 0.6V) / 3.3k = Iconf

Por tanto:

Iconf = 1.3mA

 

Esta es la corriente que circula por Q1 y, a su vez, se refleja en Q2. En consecuencia, la corriente que circula por Q2 es también 1.3mA.

Observaciones:

¿Por qué se refleja la corriente?. Dada la forma del circuito, se puede notar que los voltajes base-emisor de ambos transistores son el mismo, además la corriente que circula por las bases de cada transistor son casi la misma. Por último, los transistores son del mismo modelo y poseen las mismas características físicas. Todo esto hace que ambos transistores estén en las mismas condiciones de polarización y por tanto conduzcan corrientes similares.

Tener cuidado, digo similares y no iguales. Si bien el voltaje base-emisor es el mismo para ambos transistores, las corrientes que circulan por las bases son solo similares al igual que las características físicas de ambos transistores, es imposible que sean totalmente idénticos incluso si son del mismo modelo y lote. Además el voltaje colector-emisor en el transistor Q2 será distinto al de Q1, hay que considerar el efecto Early.

¿Se pueden diseñar espejos de corriente más precisos?. Sí. Los proveedores venden transistores duales que eliminan el problema de las características físicas dispares de ambos transistores, también es posible mejorar el circuito y aplicar otras técnicas como el espejo de corriente Wilson. También, la precisión de las resistencias puede hacer variar el resultado del cálculo de la corriente, una resistencia con mejor tolerancia mejorará la precisión.

Es posible, y más frecuente aun, reflejar la corriente de Q1 en más de un transistor al mismo tiempo, convirtiéndose en un espejo de corriente de salida múltiple, el cual será objeto de estudio en otra entrada del blog.

Simulación:

Como ya se hace costumbre en el blog, realizaré una pequeña simulación del espejo de corriente con ngspice, que alumbrará algunos puntos.

Figura 3: Resultado de la simulación del circuito de la Figura 1.

Como se puede observar, la corriente es aproximadamente 1.3mA para ambos transistores, la diferencia es de 10uA. La simulación considera que ambos transistores son idénticos, pero aún así, los resultados son distintos debido a los otros factores ya mencionados.

Conclusiones

• Los espejos de corriente se suelen usar en microelectrónica.
• La corriente se refleja del transistor Q1 al transistor Q2.
• Es posible reflejar la corriente de Q1 en 1 o más transistores al mismo tiempo.
• El espejo de corriente mostrado, no es el más preciso, pero sí el más sencillo de implementar.

Transistores BJT #03 - Fuente de Corriente

Transistores BJT #03

Fuente de Corriente

 Introducción

 Una de las aplicaciones más utilizadas de los BJT, especialmente en microelectrónica, es la de fuente de corriente. Veremos cómo es que funciona y cuales son sus limitaciones.

Diagrama

 

Diagrama de una fuente de corriente básica.

Funcionamiento

El divisor de voltaje formado por R1 y R2 producen un voltaje en Vb de 2.5V. De la base al emisor hay una caída de diodo, por lo que el voltaje en el emisor es de 1.85V aproximadamente.

La corriente que corre por el emisor es aproximadamente la misma que la que corre por el colector. Para determinar esta corriente usamos la ley de ohm en la resistencia del emisor:

 Ve - Gnd = Ie * Re 

La corriente del emisor "Ie" está determinada entonces por Ve y Re. Así:

1.85 - 0 = Ie * 1k

 Ie = 1.85mA

Hemos producido una corriente en la carga "Rcarga" de 1.85mA. Esta corriente puede ser regulada, principalmente por Re el cual convenientemente podría ser un potenciómetro.

Simulación 

Asumiendo que nuestra Rcarga es de 100ohm y no variará, simulamos la variación del potenciómetro Re.

 Simulación de fuente de corriente. Sweep de Re.

Podemos apreciar que la corriente en la carga es efectivamente controlada por la resistencia Re. Se puede notar también que la zona lineal de control comienza a partir de 2k ohm aproximadamente.

Limitaciones

Si Re es un potenciómetro podríamos cambiar la corriente en Rcarga como se nos antoje, siempre y cuando el transistor no se sature, y la ganancia del transistor sea suficiente.

 Por ejemplo, sería imposible darle 10A de corriente a la carga, porque entonces el voltaje en la carga sería 100Ohm * 10A cuyo resultado es 1000 Voltios. Esto es imposible dado que la fuente de voltaje nos suministra un máximo de 5V, en ese caso el transistor no podría hacer nada para ayudarnos a obtener la corriente deseada.

La corriente máxima que puede conducir el transistor se determinaría de modo práctico de la siguiente manera: Imaginamos un corto entre el colector y el emisor. Las resistencias de carga y de emisor estarían en serie, se suman. Entre 5V y Gnd tendríamos una resistencia de 1000ohm + 100ohm = 1.1K. Por tanto, la corriente máxima que satura al transistor es de 5V/1.1K = 5mA aproximadamente.

Si se reduce Re y Rcarga (los cuales limitan la corriente), este valor puede aumentar. Suponiendo un potenciómetro de 100ohm y una carga de 1ohm, entonces la corriente máxima sería de 500mA. Si este potenciómetro lo configuramos para que de 1ohm, entonces la corriente máxima sería de 2.5A.

Esto parece algo bueno pero es bueno recordar que los potenciómetros no están hechos para conducir altas corrientes, tener cuidado.

Conclusiones

• Se puede utilizar un BJT para construir una fuente de corriente 
• La fuente de corriente es controlada por una resistencia.

Sensor de Vibración - Análisis

Sensor de Vibración

Introducción:

Los sensores son el medio mediante el cual los equipos electrónicos pueden reaccionar a eventos externos. Esta vez experimenté un poco con el sensor de vibración SW-18015p.

 

 

 Vista del sensor de vibración.

Variantes del sensor:

Este sensor pertenece a un grupo de sensores que pueden ser fácilmente confundidos. Entre estos están: 

Sensor	Sensibilidad	Encapsulado
SW-18015p	Alta sensibilidad	Sellado
SW-18015	Alta sensibilidad	Abierto
SW-18020p	Sensibilidad estándar	Sellado
SW-18020	Sensibilidad estándar	Abierto

Así que nuestro sensor es de alta sensibilidad y viene sellado.

Funcionamiento del sensor:

El sensor funciona como un switch: cuando detecta una vibración el switch se cierra (conduce) y cuando no hay vibraciones el switch se abre (no conduce).

Experimento:

Normalmente el sensor viene ya incluido en un módulo como el siguiente:

 

Módulo de Sensor de Vibración.

En vista de que solo contaba con el sensor procedí a soldar mi propio módulo de acuerdo al esquemático siguiente:

 

 Esquema del módulo del sensor de vibración.

 Mi objetivo es observar el comportamiento de la señal generada por el sensor.

 

Observaciones:

Una vez construido el circuito, analizamos con el osciloscopio la salida del comparador LM393 y uno de los terminales del sensor que da la entrada inversora del comparador.

Observación. Azul: Salida del LM393; Amarillo: terminal del sensor.

Se observa que, al causar una vibración, el sensor conecta la entrada no inversora a tierra, esto obliga que el voltaje del nodo baje de golpe de 5V a 0V como se observa.

Cabe notar que el sensor conecta la entrada inversora a tierra solo por un instante, luego la desconecta.

Al desconectar la entrada inversora de tierra, el capacitor 104 que da a la entrada inversora empieza a cargarse lentamente y la salida del comparador toma inmediatamente 5V. El tiempo que demora en volver a cargarse este capacitor depende de su valor que es 0.1uF y de la resistencia de 10k que está conectada a este capacitor. Este tiempo es de alrededor de 1ms.

La salida del comparador vuelve a tomar 0V una vez que el capacitor supere el límite determinado por el potenciómetro de 10k.

Básicamente, el módulo emite un pulso digital cada vez que hay una vibración.

Variantes

Ahora que conocemos cómo funciona podemos alterar los parámetros.

Por ejemplo, si queremos que el pulso producido dure más tiempo, podemos aumentar la resistencia de 10k a 1M o aumentar la capacitancia de 0.1uF a 10uF. De este modo, podríamos observar un parpadeo en el LED del esquemático cada vez que el sensor detecte una vibración ya que, así como está el esquemático, ese LED es completamente inútil dado que no podemos ver un parpadeo de 1ms.

También podemos modificar el valor del potenciómetro, lo que modificaría la duración del pulso.

Conclusiones

• El sensor funciona como un switch.
• El módulo genera un pulso digital cada vez que detecta una vibración.
• La resistencia de 10k y el capacitor de 0.1uF de la entrada inversora, y el potenciómetro determinan la duración del pulso.

Transistores BJT #02 - Seguidor de Emisor

Transistores BJT #02

Seguidor de Emisor

Introducción:

El seguidor de emisor es una de las aplicaciones más usadas del transistor. Además es fácil de entender y diseñar. Se utiliza para aumentar la potencia de una señal.

¿Qué significa aumentar la potencia de una señal?

Al viajar o al ser consumida por alguna carga, la señal eléctrica va perdiendo potencia. Generalmente esto se traduce como pérdida de voltaje, lo cual trae problemas para el diseño. Si diseñamos un circuito con una referencia de 3.3v, lo ideal sería que esos 3.3v siempre se mantengan, de otro modo el comportamiento del circuito se vuelve impredecible: algunos componentes pueden dejar de funcionar adecuadamente o inclusive pueden no encender del todo.

Para evitar lo mencionado anteriormente, se aumenta la potencia de una señal, de modo que no importa la carga, la señal eléctrica se va a mantener en un rango determinado. Por ejemplo: "Para una carga de 1k Ohm a más, el voltaje de salida va a ser 5V con una variación máxima del 1%".

Así podemos garantizar el funcionamiento de un circuito bajo ciertas restricciones.

Diagrama:

 A continuación, podemos observar el circuito típico de un seguidor de emisor con el cual se busca aumentar la potencia de la señal de referencia.

Circuito típico del seguidor de emisor.

Explicación:

Nos olvidamos por un momento del lado derecho del circuito: obviamos Q1 y RE. Tenemos entonces un típico divisor de voltaje. El voltaje Vref es entonces:

Vref = V1 * (R1 / (R1+R2)) = 5 * (10k/20k) = 2.5V

 

Divisor de tensión. Vref=2.5V.

Vamos a continuación a conectar 1 carga. Veremos como varía el voltaje Vref de acuerdo al valor de la carga.

Divisor de tensión con carga.

Ahora hacemos un análisis DC.  Disminuiremos la resistencia de carga y veremos que esto afecta el voltaje. A esto se le denomina el efecto de carga que seguro muchos ya conocen.

 

Plot: variación de Vref al disminuir la resistencia de carga.

A menor resistencia de carga, mayor es la desviación de Vref que supuestamente queríamos que se mantenga en 2.5V.

Ahora veremos la diferencia este efecto de carga si utilizamos un transistor como seguidor de emisor.

Circuito del Seguidor de Emisor con Carga.

 Plot: variación de Vout al disminuir la resistencia de carga.

Se puede apreciar que el voltaje se mantiene casi constante en 1.82V. Ahora este voltaje de referencia es bastante sólido. Tener en cuenta que deja de ser una buena referencia cuando la carga se aproxima a 1k ohm. ¿Por qué? Porque nuestra impedancia de salida la determina RE que es de 1k ohm.

Otro detalle que se puede apreciar es que "sacrificamos" una caída de diodo dado que nuestra tensión es de 2.5V provenientes del divisor de tensión menos 0.65V a causa del diodo base emisor del transistor. Sin embargo, ahora nuestro voltaje de referencia es efectivamente predecible.

Nota:

Es posible evitar esta caída de diodo colocando un transistor PNP a modo de seguidor de emisor.

Entre otras aplicaciones destaca también el regulador de voltaje con diodo zener.

Conclusión

El seguidor de emisor aumenta la potencia de la señal, esto hace que las cargas tengan un efecto mínimo en la señal.

Transistores BJT - Transistor Switch - 01

Transistor Switch

Introducción

Continuando con la serie de transistores BJT, hoy veremos la aplicación más sencilla: un switch, específicamente y por motivos pedagógicos, de un LED.
Un switch es básicamente un dispositivo que prende y apaga, por ejemplo el botón para encender la bombilla de alguna lámpara es un switch.

Motivo

 ¿Por qué se necesita un circuito para el switching?

A diferencia de un switch mecánico en el cual se requiere estar en el lugar para activarlo, un switch digital construido con un transistor permite prender o apagar el switch mediante una señal.

Esta señal puede enviarse de forma remota, es decir puedes enceder una lámpara sin necesidad de estar en el lugar. También es posible automatizar la señal a enviarse. Por ejemplo, que el alumbrado público se encienda de noche y se apague de día. O que quizás reaccione a eventos, por ejemplo al encestar en un partido de baloncesto que el marcador aumente.

El transistor llevó la tecnología a otro nivel, por ello es necesario estudiarlo.

Desarrollo

 El diagrama del circuito es el siguiente:

Circuito de switch de LED mediante BJT.

 

 El transistor Q1 no conduce hasta que presionemos el switch S1: no hay corriente en el LED motivo por el cual no se enciende.

Al encender el switch S1, el voltaje en el nodo v2 toma el valor de 5V. Esto permite que una pequeña corriente pueda pasar a través de la base activando así el transistor. A esto se le denomina "polarización" del transistor.

Al activarse el transistor la corriente puede pasar a través del colector y hundirse en tierra. Esta corriente será la que prenda el LED. Dado que tenemos una fuente de 5V, R2 es de 1k ohm y el voltaje de caída del LED es de aproximadamente 1.8V, entonces la corriente de saturación se calcularía así:

VIN - V(D1) - V(R2) - Vsat(Q1) = 0

El voltaje de saturación suele ser bastante pequeño, entre 0.1V y 0.3V según la hoja de datos del transistor. Por lo que se desprecia en el cálculo.

5V - 1.8V - V(R2) = 0

V(R2) = 3.2V

Ahora mediante la ley de ohm: V = I.R

3.2V = I * 1k

I = 3mA (aproximadamente)

Simulación:

Para validar los resultados corrimos una pequeña simulación, utilizando ngspice. La simulación está configurada para que en t=1s se active el switch que encenderá el transistor. El switch estará activado durante un segundo hasta t=2s.

 

 Resultado de simulación. Plot de corriente del colector.

El resultado muestra que, al activar el switch, una corriente de aproximadamente 3mA empieza a fluir por Q1. Por lo que nuestro cálculo fue correcto.

Tambíen se debe explicar que en este circuito el transistor funciona en dos estados:

• En corte: cuando no pasa corriente a través del transistor.
• En saturación: cuando alcanza la corriente de saturación.

 

Resultado de simulación. Plot de voltajes de base y colector. 

La simulación muestra que el voltaje del colector vc es de 5V cuando transistor aún no conduce y que al saturarse el voltaje cae y toma el valor del voltaje de saturación, que es lo mismo decir que el transistor entró en saturación.

El voltaje de la base vb es cero hasta el momento en el que se activa el switch. En ese momento toma el valor de una caída de diodo (0.6V).

También notamos un pequeño pico de voltaje en el instante en el que se desactiva el switch. Esto puede deberse a las capacitancias parásitas del transistor, un tema que se tratará más adelante. Darse cuenta de que observando el circuito real, este pico de voltaje no ocurre:

 

Observación del osciloscopio: vb (Amarillo) y vc (Azul).

Conclusión

Con este circuito, aprendimos lo que es el switching (básicamente prender y apagar) y los motivos de su aplicación. Entendimos que el transistor, al hacer switching, funciona en dos estados: en corte y en saturación. Por último, se demostró mediante una simulación el resultado obtenido.

Con esto concluimos con nuestro primer circuito básico de transistores.