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.

Extender rango de voltaje de IC - AD85063

Extender rango de voltaje

AD85063

Introducción:

El circuito integrado AD85063 es un chip reductor de voltaje (step-down) que funciona mediante switching. Este chip puede recibir como entrada hasta 32V y la salida es fija de 5V. El objetivo es intentar extender este rango de voltaje para una fuente de 48V (o más).

Plan de acción:

• Para manejar el switching utilizaremos una referencia de 10V. Emplearemos un seguidor de emisor.
• Para extender el voltaje emplearemos un MOSFET.
• Hay que proteger el MOSFET de la carga inductiva. 

 

Circuito:

 

Extensor de voltaje para AD85063 

 

 Explicación:

Lamentablemente la hoja de datos del AD85063 está en chino (literalmente). 

A pesar de este inconveniente, podemos notar que el circuito de salida formado por los dos transistores se encuentra aislado de la parte del switching. Esto es bueno porque brinda cierta flexibilidad para que podamos agregar un MOSFET a la salida como en el circuito de arriba. Esto fue lo que motivó a realizar el circuito.

Esquema interno del AD85063

 

El resto del IC funciona como un IC de switching ordinario. Un comparador con referencia de 1.25V versus un cuarto del feedback recibido. Esto ocasiona un set en el flipflop y activa el par de transistores cada vez que el voltaje de salida caiga por debajo de 5V, así lo mantiene vivo. El circuito original propuesto por la hoja de datos es bastante simple:

Circuito propuesto por el Datasheet

El único agregado al circuito realmente es el mosfet. Cuando el par de transistores se prende, la puerta del mosfet se polariza y activa el mosfet.

El resto de componentes son medidas de seguridad, especialmente para proteger el mosfet. Dado que tenemos una carga inductiva, esta puede generar picos de voltaje. Por ello utilizamos un diodo de protección a través del inductor L1. También, utilizamos un diodo zener de 5V entre la puerta y la fuente del mosfet.

Resultados 

El experimento funcionó correctamente.

PD: Disculpen por el disipador, tuve que improvisar ya que no tenía uno a la mano.

Transistores BJT - Introducción - 00

Introducción a los Transistores BJT

En esta pequeña introducción no quiero entrar en detalles técnicos de los transistores ni de la física y matemática que lo estudia. En mi opinión no es bueno, ni para el alumno ni para el docente.

Es más fácil entender al transistor por lo que puede hacer, en lugar de por lo que es.

¿Qué puede hacer un transistor?

Básicamente dos cosas:

1. Amplificar una señal eléctrica

 El circuito con transistor recibe una señal débil y la amplifica o transforma en una señal de mayor voltaje o de mayor potencia.
¿Para qué?. Una señal pequeña y débil difícilmente puede ser "consumida"directamente por otro circuito porque se "extingue". Por ejemplo, en el caso de un repetidor de wifi, que recibe una señal ya un poco débil, la amplifica y la vuelve a enviar.

2. Conmutar, también llamado switching

Esto es tan simple como prender o apagar un circuito.

¿Para qué?. La respuesta es para tener mejor control del circuito.

Imaginemos que tenemos un robot en la luna, y queremos prender su luz delantera, si no existieran los transistores, lo normal sería ir hasta la luna y presionar un botón (o switch) para que se prenda la luz. Gracias a los transistores, solo con enviar una señal eléctrica es suficiente para prender o apagar la luz.

¿Por qué hay tantos circuitos con transistor si solo puede hacer dos cosas?

Todos los demás circuitos que involucren a un transistor generalmente nacen de las dos funciones mencionadas anteriormente: amplificación y switching.

No se pretende engañar al estudiante, la verdad es que hay infinidad de aplicaciones y la complejidad creciente es sobrecogedora, por no decir que asusta.

Un ejemplo de que en verdad asusta un poco:

 

Circuito interno de un amplificador operacional UA741CN.

Fuente: Texas Instruments

Pues eso desanima a cualquiera... (inserte risa desanimada)

 Sin embargo, no hay de que preocuparse, al conocer los bloques fundamentales de los transistores, entender estos diagramas será pan comido.

Inductive kickback o Contragolpe inductivo

Inductive Kickback

Introducción:

El contragolpe inductivo o más conocido como "inductive kickback" (en inglés) es un fenómeno eléctrico indeseado en la mayoría de circuitos con carga inductiva, esto es en circuitos con motores, transformadores, solenoides, etc.

Descripción del fenómeno:

Será más fácil mostrar un ejemplo con el siguiente circuito:

 

 Circuito de Prueba.

Tenemos un transistor común y corriente (2sc945) que posee como carga a un inductor L1 y a una resistencia R1. Este transistor se encuentra conduciendo alrededor de 15mA.

El experimento consiste en apagar el transistor con el botón S1 y ver qué sucede. Lo normal sería que el voltaje del colector cambie de 0.1v (en saturación) a 5v (en corte).

Sin embargo, esto no sucede inmediatamente a causa del inductor.

 

Observación del osciloscopio. Amarillo (Vc) y Azul (Vb).

La línea amarilla indica el voltaje del colector y la azul el voltaje de la base.

Vemos que cuando se apaga el transistor, el voltaje del colector empieza a aumentar empero, en lugar de detenerse al alcanzar los 5 voltios, continúa incrementándose hasta alcanzar 7.3v, que es el pequeño pico observado. En este caso fue pequeño porque así se diseñó la prueba, pero en la práctica este voltaje puede alcanzar los cientos o miles de voltios. De más está decir que un transistor ordinario no sobreviviría para contarlo.

Causas

El culpable es el inductor, pero es necesario explicar por qué.
El inductor es un elemento básico que sigue la siguiente relación matemática:

V=L(di/dt)

¿Qué significa esto?. Significa que si dt (el tiempo en el que se apaga el transistor) es muy corto entonces se generará un voltaje V bastante alto.

El osciloscopio muestra que el transistor se apaga en 20ns aproximadamente y según los datos la inductancia es de 10uh y la variación de corriente será de 15ma.

Finalmente, a las causas agregamos que a mayor inductancia L, mayor será el voltaje que aparecerá. También, si hay mayor corriente a través del inductor entonces el voltaje también aumentará.

Segundo experimento: aumentando la inductancia.

 Ahora que hemos visto las causas, intentaremos demostrar su veracidad mediante una pequeña variación: en lugar de usar un inductor de 10uh, utilizaremos uno de 47uh.

Variación del circuito de prueba, L=47uh

Podemos apreciar que el voltaje generado es mucho mayor, puesto que aumentamos la inductancia. Cabe resaltar que si aumentamos aún más la inductancia el resultado puede ser peligroso para los demás componentes del circuito, por ejemplo, para el transistor que usamos, el 2sc945, el máximo Vce que puede soportar es de 60v.

Contramedidas

Entre las contramedidas a este fenómeno, la más sencilla es colocar un diodo en paralelo al inductor. Esto forzará a que la diferencia máxima entre ambos terminales del inductor sea de una caída de diodo (0,6v apróx.).

Circuito de prueba. Diodo agregado.

 

 Observación del circuito con diodo agregado.

Vemos que el diodo ha tenido éxito en controlar el pico de voltaje indeseado.

A pesar de esto, si somos observadores, nos daremos cuenta que hay un pequeño efecto indeseado: el voltaje permanece 0.7v por encima del voltaje de la fuente mientras que lo normal sería que volviese de inmediato al voltaje de la fuente, es decir 5v.

Observación, escala horizontal de 200ns.

El volver a la normalidad (de 5.7v a 5v) toma alrededor de 1 microsegundo. ¡50 veces más que si no tuviese carga inductiva!

Si la velocidad de la conmutación es importante para la aplicación entonces esto se convertiría en un problema. De otro modo, si el tiempo de conmutación de la aplicación no es crítico entonces no habría problema.

Conclusiones

La última prueba fue hecha con 15ma a través del inductor y 47uh. El resultado si bien fue controlado, pudo haber sido mucho peor.

Qué hubiese sucedido si en lugar de un inductor pequeño tuviésemos, sin exagerar, un motor de juguete de 5v que consume alrededor de 300ma y una inductancia mayor, entonces el resultado podría ser desastroso.

La contramedida aplicada fue bastante eficiente en términos de control del voltaje, pero no en términos de velocidad.