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.