L CIRCUITO INTEGRADO 74HCTLS192 Contador Bidireccional Con preselección. Jue 27.11.2014
CRTL+D, para volver a visitarnos. Creado por: V.
García.
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INTRODUCCIÓN. En esta ocasión vamos a describir cómo es y funciona el dispositivo 74LS192 o su equivalente 74HCTLS192. El SN74LS192 es un contador de décadas Up/Dw en BCD (8421) y es el SN74LS193 es un contador binario de 4 bits Up/Dw. Utiliza entradas separadas de reloj, contador adelante y contador atrás, en el modo de conteo, los circuitos funcionan de forma síncrona. Cambio sincrónico del estado de las salidas con la transición BAJO a ALTO en las entradas de reloj. El funcionamiento síncrono es proporcionado, por tener todos los registros flip-flops simultáneos, de modo que las salidas, cambian juntas según la lógica de control. Este modo de funcionamiento, elimina los picos de conteo de salida que, normalmente se asocian con los contadores asíncronos (ondulación de reloj). Las entradas y salidas son totalmente compatibles con dispositivos TTL, NMOS y CMOS, con un ancho de operatividad de 4,5V a 5,5V. A la derecha, se muestra el diagrama de los circuitos integrados 74LS192/LS193 así como sus homólogos 74HCTLS192/LS
193.
Ambos, contadores Decimal/Binario son reversibles, síncronos de 4 bits, Up/Dw, (formados por 4 flip-flops principal - secundario, junto a su lógica), todos están concebidos para minimizar la lógica adicional entre etapas, cuando estos trabajan en cascada. De la misma familia se puede encontrar dispositivos similares el 74LS190/LS191.
Las salidas de los cuatro flip-flops maestro-esclavo se disparan por una transición de nivel BAJO a ALTO de cualquiera de las entradas de conteo (reloj). La dirección de conteo se determina, según la entrada de conteo que es pulsada, mientras que la otra entrada de conteo se mantiene alta. El circuito integrado 74LS192, dispone de cuatro entradas de datos (Da - Dd) para cargar las salidas (Qa - Qd) a un determinado estado, aplicando los datos a dichas entradas. Se aplica el nivel bajo L a la patilla 11 de carga ('load'), esta operación de carga es independiente del nivel de reloj y del estado del contador, a partir de haber aplicado el nivel bajo, en la salida del contador, se tendrán los datos de carga en las salidas (Qa, Qb, Qc, Qd). Y a partir de este momento según el nivel aplicado en la entrada de reloj Up /Dw, así hará avanzar o retroceder el contador, hará cambiar el estado previo de las salidas. En la imagen siguiente, se aprecian la posición y nombre de los pines del CI. Este dispositivo contador tiene dos entradas de reloj; la de conteo ascendente (subida, patilla 5) y la de conteo descendente (bajada, patilla 4). La cuenta se produce durante la transición del nivel L a nivel H en cualquiera de estas dos entradas que cambiará el estado de la cuenta, según el nivel aplicado en estas entradas Eu (5) y Ed (4).
La entrada de PAC (puesta a cero, patilla 14, Clear) permite situar las salidas del contador, en el estado 0, cuando se le aplica el nivel H. Esta entrada es igualmente independiente del nivel aplicado en las entradas de carga o de las de conteo, bien ascendente o descendente. La salida acreedora (descuento o 'Borrow', patilla 13) producirá un impulso de longitud similar al de conteo, cuando el contador alcance el estado 0 y pase a 9. En cambio la salida acarreo ('Carry', patilla 12) producirá un impulso de longitud similar al de conteo, cuando el contador alcance el estado máximo 9 y salte a 0, en el caso del CI 74LS193, por ser binario, lo hará cuando la salida pase de 1111 (F) a 0.
DESCRIPCIÓN. Las entradas de carga de datos (Da-Dd), nos sirven para preestablecer un número de partida en las salidas, llamado preselección, tanto para el conteo ascendente como el conteo descendente ('Up/Dw'), a partir del cual se producirá la cuenta con cada pulso del reloj de entrada. Para cargar el número preseleccionado, la patilla 11 de carga ('Load'), se debe llevar por un instante al nivel L y volver al
nivel H permanentemente. Por lo que se entiende que cada vez que se aplique un nivel L a esta patilla 11, se vuelve a cargar el número preseleccionado, con este comportamiento, se puede constituir un divisor de frecuencias, con solo establecer un número en la carga de preselección, aunque demostrar esto no es nuestro cometido ahora. Para evitar en gran medida que se produzcan problemas parasitarios en este tipo de dispositivos, es recomendable cargar todas las patillas del circuito integrado a un nivel predeterminado, según lo previsto para su funcionamiento y la aplicación que el proyecto requiera. Que quiere decir esto; que debemos conectar una resistencia de 10k entre la patilla que no usemos y el +Vcc si su nivel ha de ser H (Alto) o si ha de ser L (Bajo) se conectará a masa. En cuanto a las entradas de preselección, es conveniente utilizar un preselector rotativo codificado a BCD por cada dígito, como el mostrado más abajo.
FUNCIONAMIENTO. El punto de mayor importancia de este dispositivo en esta aplicación práctica, se ha resaltado dentro de un rectángulo, en el que se aprecian 3 puertas NANDcorrespondientes a un 74LS00, una de ellas conectada a su vez como inversor, además de 1 pulsador de puesta a cero PAC, 1 conmutador arribaabajo 'Up/Down' y una resistencias de 1k5 de 1/4 W. De modo que, cuando se aplica una serie de impulsos en la entrada, en esta disposición, los pulsos pasaran por la patilla 2 a la salida 3 de esta puerta para ingresar en la entrada Eu ascendente del circuito integrado 74HCTLS192, independientemente del estado previo de conteo. Si lo que deseamos es descontar una serie de impulsos, debemos cambiar la posición del conmutador C, de modo que la patilla 6 del 74LS11 permanezca a nivel L (0) por lo que los impulsos ahora pasaran por la patilla 5 hacia la patilla Ed de descuento. Los impulsos
no pueden pasar a la patilla 3, como antes ya que en la patilla 2 hay un nivel H que impide cualquier salida, según su tabla de la verdad. Por lo tanto para esta práctica, necesitaremos los siguientes componentes: 1 - 74LS11 - 4 puertas NAND de dos entradas. 1 - 74LS192 - contador decimal Up-Dw. 1 - 74LS47 o CD4511 - Decodificador BCD a 7 segmentos. 1 - Preselector codificador de 10 a BCD o un conjunto de 4 interruptores DIL. 1 - FD500 - Display a LED de 7 segmentos 1/2 Pulgada. 6 - Resistencias de 1k5 de 1/4 de vatio.
Un ejemplo del funcionamiento de este circuito integrado lo podemos ver en la lección 6 y siguientes. A continuación se muestra el diagrama del que hablamos, ver la figura 02.
Fig. 02
A este diagrama esquemático que constituye por sí
sólo, un contador de un dígito, al que se le pueden añadir nuevos dígitos en cascada, conectándolos a las salidas SC y S B de éste con las correspondientes EU y ED respectivas del siguiente dígito (cada dígito está formado por este conjunto, excepto el contenido dentro del marco y el pulsador PAC que, es común a todos los dígitos. A la derecha, una imagen de un preselector decodificador rotativo de decimal a BCD, cada dígito necesitará un preselector, con el que fijar el ajuste de inicio de cuenta. No obstante diremos que, si el propósito del proyecto no requiere cambiar esta preselección, estas entradas de carga, pueden fijarse a un cierto número mediante su conexión directa al nivel requerido, garantizando su funcionamiento. Por ejemplo, si ni se necesita el preselector, todas las entradas de carga, se pueden poner a masa (L), ya que cuando llegue a la máxima cuenta volverá a cero (0) y en caso de querer poner a 0 el contador, pulsaremos el botón de PAC. La figura 03, nos muestra la forma de conectar esquemáticamente entre sí, varios contadores 74HCTLS192 o bien 74LS192, mediante un montaje en serie o cascada, tiene varias formas de conectarse, es interesante ver las hojas de características del fabricante.
Fig. 03 Conexión de tres contadores en serie.
En esta figura 03, se pueden apreciar las líneas de conteo arriba y abajo, las salida de acarreo y descuento así como las comunes para todos ellos de PAC y carga,
en un montaje serie asíncrono con propagación retenida entre etapas. Y finalmente, en la siguiente figura se presenta el diagrama de lo descrito para dos dígitos y una salida a un relé.
CONCLUSIÓN. Muchos de los dispositivos denominados circuitos contadores que podemos construir mediante un CI estándar, son de características similares y su configuración de puesta en marcha difiere en aspectos concretos, por lo que se recomienda estudiar las características del fabricante. Por otra parte, como ya se ha comentado es conveniente utilizar como preselectores unos dispositivos similares a los de la imagen de arriba. Todo lo descrito, puede aplicarse a otros dispositivos de similares funciones incluso de distintas familias. http://hispavila.com/3ds/tutores/ls192.htm
LECCIÓN 6 El Contador Digital 13/02/06
INTRODUCCIÓN. En electrónica es bastante frecuente verse necesitado de contabilizar eventos y por tanto se requiere utilizar un contador, en nuestro caso se tratará de un contador electrónico digital. Por otra parte, en nuestros días estamos rodeados de dispositivos que disponen de algún tipo de contador digital, incluso en la mayoría de los electrodomésticos vienen equipados con uno. Un contador digital, básicamente consta de una entrada de impulsos que se encarga de conformar (escuadrar) las señales, de manera que el conteo de los pulsos no sea alterado por señales no deseadas, las cuales pueden falsear el resultado final. Estos impulsos son acumulados en un contador propiamente dicho cuyo resultado, se presenta mediante un visor que puede estar constituido por una serie de sencillos dígitos de siete segmentos o en su caso mediante una sofisticada pantalla de plasma. Nosotros empezaremos por considerar un circuito de entrada que nos permita tomar la señal motivo del conteo, para lo cual hemos de pensar en la forma de tomar la señal a medir, de modo que le demos a ésta una forma adecuada que nos asegure una cuanta correcta. Para que el mencionado circuito sea lo más universal posible es importante: Tener la entrada de alta impedancia (Z). Nuestro circuito no debería absorber demasiada señal para no inducir errores. Dicha señal, la deberemos escuadrar de forma segura.
El circuito constará de un separador de corriente continua mediante un condensador cerámico de baja capacidad (47nf/400V), para detectar las señales de alta frecuencia, separando la alta tensión, si es el caso. La salida, se conectará a un diferenciador constituido por una puerta lógica, para una mayor seguridad dicha puerta será un disparador Schmitt (triger Schmitt). Si utilizamos un transistor, éste debe ser de alta velocidad, similar al 2N2222. En la figura 01, se presenta el esquema sinóptico de un contador de dos dígitos formado por dos contadores (74HCT192 o 74LS192), dos decodificadores (74HCT48 o 74LS48) y sus correspondientes visualizadores (display) MAN74 o FND500.
Fig. 01 Esquema sinóptico
ADAPTADOR DE SEÑAL. El circuito de la figura 02, representa la entrada descrita, en la figura 03, más elaborada, se aprecia el circuito de entrada completo que, puede servirnos en la mayoría de los casos, en la figura 04, se presenta un nuevo circuito con mejores prestaciones, al que se le a añadido el mencionado disparador Schmitt, formado por la puerta de alta velocidad 74HCT14 (6 inversores Schmitt). En el cual resaltamos el punto (A) ya que en él, los impulsos detectados aún no están totalmente escuadrados, como ocurre con los obtenidos a su sali da.
Fig. 02
Fig. 03
Fig. 04 En la figura 02, se pueden apreciar dos componentes, el condensador separa la tensión continua y el resistor que eleva la impedancia lo suficiente para nuestro cometido. En la figura 03, se propone un circuito que utiliza un transistor como seguidor de emisor con un limitador de tensión a 6V, mediante el diodo zener, al que le sigue un nuevo transistor separador que mejora la salida,
permitiendo así, un mayor impedancia de entrada, algo imprescindible en estos casos y una alimentación con un amplio margen. En la figura 04, los limitadores de tensión son los dos diodos D1 y D2, su punto común como se aprecia, está conectado a la base de un transistor mediante un divisor de tensión formado por R2 y R4 y la salida del transistor T1 como seguidor de emisor, nos da la señal que utilizaremos para el contador, no obstante, se ha intercalado un inversor o puerta triger-Schmitt para escuadrar al máximo dicha señal.
EL CONTADOR. Hasta aquí, hemos visto cómo detectar y escuadrar los impulsos que posteriormente se han de contar, un paso importante. Ahora, trataremos el que considero corazón del contador propiamente dicho, es decir, la parte del circuito que se encarga de contar, almacenar y acumular cada pulso de la cuenta al siguiente y si es el caso cambiar de década, pero será mejor empezar por el principio. Más adelante analizaremos en profundidad los circuitos que componen un contador, en estos momentos nos centraremos en lo que se necesita para construir un contador unido a un visor, en el que se muestre los totales contados. El circuito básico que se use, dependerá de la tecnología disponible, esto lo podemos apreciar mejor en la tabla siguiente: FAMILIA
TIPO
Frec.
Vol.
TTL 74LS192 32 MHz 5,5 CMOS CD4510B 4 MHz 3 ÷12 HCTLS 74HCTLS192 54 MHz. 3 ÷ 6
Decodificador Relación V/C
74LS48 CD4511 74HC48
+ velocidad + consumo - velocidad - consumo + velocidad - consumo
EL CIRCUITO DIGITAL 74LS192 CONTADOR DECIMAL. Atendiendo a que la velocidad es muy importante y en cualquier
momento se puede requerir esta capacidad, nos centraremos en la opción de la serie 74HCTLS192 o en su defecto por la 74LS192 ya que se trata del mismo dispositivo, lo único que cambia es el consumo, la tensión de trabajo y poco más. El dispositivo 'LS192, constituye un contador asíncrono reversible con entrada paralela, preparado para efectuar el conteo decimal en código binario BCD, que además dispone de preselección de carga. Para cargar las salidas a un determinado estado, se aplican los datos a las entradas DA, DB, DC y DD y se aplica el nivel bajo L a la patilla 11 'load', esta operación de carga es independiente del reloj y del estado del contador. Por ejemplo: cargar el preselector a 9, esto quiere decir que en las líneas de datos pondremos los siguientes niveles: 1001, donde DA1, DB0, DC0 y DD1, es decir DA-DD al positivo y DB-DC al negativo. En la figura 07, se muestra la disposición de las patillas de este circuito integrado. Para más información, a cerca del funcionamiento de este dispositivo, 74HCT192 puedes pulsar sobre este enlace , donde se presenta una aplicación y la configuración de las señales de entrada y salida E/S en modo serie o cascada.
Fig. 07 El circuito de la figura 08, es una aplicación práctica que, se complementará añadiendo 3 puertas NAND correspondientes a un 74LS00, una de ellas conectada a su vez como inversor, o sea, sus dos entradas unidas además de unos pocos elementos, como 1 pulsador de puesta a cero PAC, 4 preselectores, 1 conmutador arriba-abajo 'Up-Down' y unas resistencias de 1k5 de 1/4 W. También se puede hacer que el contador se ponga a una determinada cuenta de forma automática, esto lo dejo para que se investigue por quien este interesado.
Obsérvese que, las entradas ABCD, están forzadas a positivo (permanentemente conectadas a +Vcc mediante sendas resistencias [1k ]), esto es necesario, si queremos que no haya saltos en la cuenta, debidos a diversas señales e interferencias espúreas que, suelen afectar bastante a los circuitos integrados cuando no se utiliza este método, además recomiendo, aunque no se muestra en el circuito, aplicar un condensador cerámico tipo lenteja de 100nf/100V (marcados como 104), a los pines de alimentación de cada circuito integrado del montaje.
Fig. 08 Esquema del contador para 1 dígito. Como se desprende del circuito, para incrementar el número de dígitos, tan solo habrá que añadir otros tantos contadores como dígitos se deseen y conectarlos en serie o cascada, prescindiendo de las subsiguientes puertas de los nuevos contadores, o sea, las salidas Sc y Sb a las respectivas entradas Eu y Ed del siguiente contador, conectando las patillas de carga del mismo modo a sus respectivos interruptores, de igual forma todas las patillas de puesta a creo, utilizaran el mismo y único pulsador de PAC. Por otra parte, se encuentran los CD4511 o el 74LS48, convertidores o decodificadores de BCD a 7 segmentos, el primero se trata de un dispositivo de la serie CMOS por ser el más típico al igual que por ser compatible con los HCT y el segundo de la serie TTL. Esto es si se decide utilizar los dígitos a 7 segmentos led de ánodo común, como el MAN72 o FND500, pongo por caso.
En la figura 09, se presenta la imagen correspondiente al circuito impreso visto por la cara de los componentes, el cual puede utilizarse para generar la placa de circuito impreso, atención, obsérvese el punto indicando la patilla 1, de cada circuito integrado en el circuito impreso.
Fig. 09
Nota.- Si alguien desea hacer una adaptación para presentar la cuenta del contador para tres dígitos mediante un display del tipo plasma, ésta página está abierta a sugerencias y aportaciones de los lectores.
CONTADOR DIGITAL CON PRESELECCIÓN. El contador que abordaremos en esta sección, estará dotado de un preselector que nos permitirá indicarle que cuenta máxima debe hacer y de este modo a su salida dispondremos de un pulso, con el que podremos ejecutar una orden, bien con la ayuda de un relé o mediante una señal luminosa u otro sistema digital al que le indiquemos cuando debe realizar una nueva función. El contador digital que proponemos, permitirá realizar la cuenta aditiva y regresiva, dependiendo de lo que en cada momento necesitemos en nuestro programa de trabajo. La utilidad de un
contador digital que cuente en ambos sentidos, tiene una mayor ventaja si le añadimos un sistema que nos permita utilizar la señal de fin de cuenta para que a la salida podamos poner en marcha o parar un proceso que dependa directamente de dicha cuenta. Basándonos en el circuito integrado que hemos visto en la segunda parte, como es el 74LS192, si vemos el circuito de la figura 08 y la descripción que allí se hace, podemos deducir que para cada década (dígito), son necesarios los mismos componentes, es decir: 1- Display de 7 segmentos (tener en cuenta su polaridad), ánodo común o cátodo común. 1- Decodificador de 7 segmentos con la salida para ánodo o cátodo común (el 74LS48 es de salida H y el 74LS47 de salida L). 1- Un contador decimal bidireccional (up/down) con preselector en paralelo, como el 74LS192. 1- Un preselector decimal codificado en BCD (a ser posible rotativo, esto último no es imprescindible). En esencia poco más tendremos que añadir, si bien deberemos tener en cuenta los siguientes puntos: - En primer lugar, tendremos en cuenta cuantos dígitos vamos a disponer, en nuestro caso dos. - Los preselectores que necesitaremos dependerá de los dígitos que hayamos considerado. - Los display que utilicemos, si utilizamos los comerciales de 1" (una pulgada) o los fabricamos nosotros mediante dos o tres lámparas por segmento o tubos fluorescentes de encendido rápido. - La corriente de consumo del equipo también dependerá de estos elementos, tengamos en cuenta que los dispositivos implicados en cada dígito se repiten para cada década y puede ser considerable. - Por último, sería conveniente disponer de un tablero de control desde el cual, deberemos poder manejar los diferentes pulsadores, conmutador de avance o retroceso o los distintos selectores. En principio y solo en principio, podemos estar ante un control de tanteo de un marcador de un evento deportivo, esto se tratará en
otra lección que ya tenemos previsto poner a disposición de los interesados. En este momento, vamos a continuar con nuestro contador digital de dos décadas para alcanzar una cuenta máxima de 100 (tener en cuenta que el 00, también es una cuenta), o si apuramos el sistema, podremos llegar con dos dígitos hasta 1000, pero no 1001. Ahora presentamos el circuito de la figura 07 de la anterior sección, para mayor comprensión, en ella podemos diferenciar tres partes fundamentales:
Fig. 08 Contador digital con preselector. Un punto muy importante a considerar con mucha atención es la parte encerrada en un cuadro que hemos denominado 'Control de cuenta', esta sencilla disposición de estas tres puertas NAND (que pueden pertenecer a un 74LS00), un conmutador de dos posiciones y una resistencia de 1k, son la parte esencial de comando del contador en la forma más simple y que al mismo tiempo nos permite la mayor garantía de buen funcionamiento. Otro punto de los tres enumerados es el formado por el preselector y el propio contador decimal 74LS192. Estas dos piezas son las responsables de la que podemos considerar forma concreta de conteo particular al que podemos dar lugar, basándonos en la disposición exacta del preselector.
Veamos con detalle lo que queremos decir con la posición del preselector, si utilizamos uno pequeño de los llamados 'switch dual-in line' de 4 u 8 contactos que van en un dispositivo similar a un circuito integrado, como los representados en la figura 08, hemos de tener en cuenta que el usuario ha de conocer muy bien contar en binario, ya que no todos son capaces de hacer una conexión adecuada con soltura. CUENTA
D
C
B
A
5
0
1
0
1
7
0
1
1
1
9
1
0
0
1
3
0
0
1
1
4
0
1
0
0
8
1
0
0
0
6
0
1
1
0
Naturalmente para nosotros es bastante sencillo de comprender este sistema de contar y fácilmente podemos deducir que un 1 significa que el contacto en cuestión, según la citada figura, lo tendremos que dejar al 'aire' como decimos en el argot de la electrónica, en cambio para cada 0 (cero), deberemos poner en contacto cerrado cada contacto que le corresponda. Obsérvese la disposición que le hemos dado a los contactos (DCBA), esto es debido al peso que corresponde a cada línea de entrada al circuito integrado y que se debe respetar escrupulosamente para su buena comprensión.
Fig. 10 Detalle eléctrico de un decodificador 10 a BCD y muestra real. En la figura 10, mostramos las características de construcción de un decodificador rotativo decimal a BCD. Los cuatro círculos concéntricos pretenden ser cada uno un contacto en el que los tramos de mayor espesor representa las pistas de contacto de la escobilla que unirá cada uno con el eje central el cual se conectará a masa en nuestro caso, obsérvese que cada línea se conecta a través de una resistencia de 1k al positivo. Comparemos las dos imágenes de la figura 10 y observemos la similitud que existe entre ambas. Visto el decodificador, resultará más sencillo comprender cómo actúa sobre el circuito contador decimal integrado en el dispositivo 74LS192, al que lo conectaremos en las entradas denominadas de preselección. Para cargar las salidas a un determinado estado, se aplicará la información a las entradas de datos (patillas 15,1,10 y 9), esto nos permite preseleccionar el inicio de la cuenta. Conectamos la entrada de carga (patilla 11) a nivel bajo L. Esta función de carga es independiente de la entrada de reloj y del estado del contador. El 74LS193 es un contador similar al que se describe 74LS192, la diferencia es que el 74LS193 realiza un conteo en binario puro. En este dispositivo contador, (las entradas que no reciben impulsos, deben permanecer a nivel alto H ), dispone de dos entradas independientes de reloj, la de conteo (subida 'Up', patilla 5) y la de descuento (bajada 'down', patilla 4). La patilla 14 'puesta cero' PAC, es la que nos permite situar el contador a 0, al aplicarle un nivel alto H. Las salidas del contador cambian de estado durante la transición del nivel L al nivel H en cualquiera de ellas. La salida de descuento ('borrow' patilla 13) nos presenta un impulso de la misma duración que el de entrada cuando el contador alcanza
la cuenta mínima (estado 0). La salida de acarreo ('carry', patilla 12) nos dará un impulso de la misma duración que el de entrada al alcanzar la cuenta máxima (estado 9). Estas dos líneas nos sirven para interconectar con otros contadores en serie o cascada, permitiendo el acarreo o descuento en las respectivas décadas. De manera que cuando hemos cargado el número de partida en el preseleccionador, debemos cargar dicha cuenta con un impulso L en la patilla de carga (pin 11), devolviéndolo al estado H. Es decir, cada vez que se lleva a L esta patilla, se iniciará la cuenta desde ese número preseleccionado.
EL RELOJ DIGITAL. El contador que abordaremos en esta sección, como indica el título, se trata de un reloj. Ahora, podemos abordar la realización de un reloj digital desde dos perspectivas: El tradicional reloj que nos muestre los dígitos desde el 1 al 12 o el reloj de números binarios para complacer a los entusiastas de este tipo menos visto y sin embargo no menos atractivo. En principio el planteamiento es el mismo: un generador de pulsos, un contador/divisor por 10, un contador/divisor por 12, un contador/divisor por 6 y si queremos un preselector para una alarma. En un caso usaremos, displays y en el otro caso unos diodos LED para representar los bits. Propongo usar los circuitos integrados de la serieCMOS, por sus características, en caso de disponer de los clásicos TTL, el lector debe encontrar los equivalentes.
RELOJ DIGITAL CON DIODOS LED. Dependiendo de las exigencias que le pidamos, el generador de impulsos debe ser de décimas de segundo como ya hemos visto en base de tiempos y el 'segundo método' en la lección 2, donde podemos aprender cómo conseguir fácilmente los pulsos de 10Hz/s y 1Hz/s. Ver imagen.
LOS CONTADORES. Como ya he apuntado, son necesarios dos tipos de contadores, las unidades y las decenas de segundos minutos y horas. Para todos usaremos un contador decimal, el cual como ya veremos mediante una combinación de puertas podemos adaptarlo a nuestras necesidades. Otra cuestión a tener en cuenta es, reducir al máximo los componentes utilizados y aprovechar todos sus recursos. Como contador vamos a usar un doble contador Binario como puede ser el CD4520B o el 74LS393, el cual se muestra en la figura de la derecha, este contador por sus características como veremos, lo podemos configurar como divisor por 10 y como divisor por 6, ambos son los que necesitamos. La figura de la izquierda muestra el contador por diez para los segundos, se puede apreciar el pulsador para poner la cuenta a "0" para sincronizar la hora, este pulsador pone a cero los segundos y las décimas de segundo al mismo tiempo. En la figura de la derecha se muestra el conexionado del mismo contador para dividir por seis para la cuenta de las decenas de segundo para los 60 segundos .
De este modo aprovechamos ambos contadores contenidos en el mismo dispositivo y reducimos al mínimo los circuitos integrados que intervienen en el montaje. El esquema que se muestra a continuación muestra la configuración para construir un reloj digital, constituido por 20 diodos LED, el conocido como reloj binario, diodos dispuestos de forma que se puede leer la hora sumando los bits de cada columna. Si, es un tanto extraño para la mayoría, sin embargo hay muchos que les gustan las cosas personalizadas (como algunos dicen "tuneadas").
Click para ampliar La figura siguiente muestra la disposición de los 20 diodos LED en un panel que dispondremos para su presentación.
LISTA DE COMPONENTES. La lista de componentes para construir este reloj digital de lectura binaria es la siguiente: CD4022B - Divisor CD4017B - Divisor decimal 1 Johnson CD4093B - 4 Puertas NAND 1 Schmit Trigger CD4520B - Doble divisor 3 Binario CD4081B - 4 Puertas AND 2 1N4148 - Diodos pequeña 10 señal LED ROJO - 5m/m de Alta 21 luminosidad LED VERDE - 5m/m de Alta 1 luminosidad BC549C - Transistor universal 1 NPN Diodos Zener de 5'1V 2 0'5Watios Pulsadores NO (Normalmente 3 abiertos) Conmutador dos posiciones 1 (para 50 o 60 Hz) Interruptor de red. 1 Transformador de red de 2201 240 / 9 + 9 Voltios 500mA Porta Fusible con fusible de 1 0'5A Resistencias de 10KOhms 5% 3 0'5 W Resistencias de 100Ohms 5% 21 0'5W Resistencias de 2K2Ohms 5% 4 '05W 1
LECTURA. La lectura de este tipo de reloj, se efectúa sumando el peso de cada
LED encendido en cada columna, de modo que en la imagen que se muestra debajo, la hora indicada es mostrada como: 13:50:25
En la foto que sigue (no es mía, aunque sirve al caso), se aprecia un nuevo ejemplo en un montaje más personalizado y con más detalle.
RELOJ CON DÍGITOS. Para los interesados en lo tradicional, pueden usar el mismo circuito de base para adaptarlo a los visualizadores de 7 segmentos, debe realizarse un cambio en el esquema mostrado más arriba, en el dual puede apreciarse los puntos dispuestos a la salida de cada divisor, justo antes de las resistencias de 100 Ohmios limitadores de los diodos LED, estos puntos se han previsto en el esquema como referencia para este proyecto. Este es el punto o mejor dicho, estos son los puntos donde conectaremos las entradas BCD de los decodificadores que se encargarán de convertir las cuentas de binario a decimal de los divisores. Los circuitos integrados que se deben usar vienen condicionados por el tipo de display disponible en el mercado, así pues, para unos displays de
http://hispavila.com/3ds/lecciones/lecc6.htm
Ejemplo de diseño de interruptor o switch con transistor bipolar Para calcular el valor de Rb (resistencia de base) que se utilizará para que el circuito funcione como un interruptor (conectar y esconectar un voltaje de 12 voltios en A). Ver el diagrama. Los datos que tenemos son: Voltaje de alimentación - Bombillo (foco) 12V, - B (beta) mínimo del transistor es: 200
=
12
V 1.2W
Transistor en saturación -
Para obtener Ic se sigue el siguiente procedimiento: De la fórmula de Potencia: Potencia del bombillo = P = VxI. Despejando I se obtiene: I = Ic = P/V = 1.2 watts / 12 voltios = 100 mA Se escoge el B (beta) menor (200) para asegurar de que el transistor se sature. La corriente de base es: Ib = Ic/B = 100 mA/200 = 0.5 mA. Esta es la corriente de base necesaria para que el transistor se sature y encienda el bombillo. Para calcular Rb se hace una malla en el circuito de la base: 12 V = Rb x Ib – Vbe Rb = (12–0.7)/Ib = 11.3 V/0.5 mA = 2260 ohmios. Para efectos prácticos Rb = 2.2 Kohms
Nota: Vbe = 0.7 Voltios en un transistor típico de silicio. (aproximadamente)
Transistor en corte Para que el bombillo se apague, basta que la corriente (Ic) que pase a través de él sea cero. Para lograrlo se hace que la corriente de base Ib sea cero (Ic = BxIb), poniendo el voltaje que alimenta el circuito de la base en cero (0 Voltios) * El siguiente video muestra el funcionamiento del transistor como switch. Sólo hay que aclarar de que las letras de los terminales de base (B) y colector (C) están invertidas. (alrededor del segundo: 16)
L TRANSISTOR BIPOLAR 1 INTRODUCCION La Figura 1 muestra el símbolo de un transistor bipolar o BJT (Bipolar Junction Transistor ), con la nomenclatura habitual de sus terminales.
Figura 1: Símbolo y tipos de transistor BJT Internamente, el BJT se compone de tres capas de silicio, según la configuración mostrada en la Figura 2.
Figura 2: Estructura interna del transistor bipolar Como puede apreciarse, la flecha que indica el tipo de transistor, apunta al sentido de la corriente en polarización directa del diodo BE. En principio, parece una estructura simétrica, en la que es imposible distinguir el emisor del colector. Sin embargo la función que cumple cada uno es completamente distinta, y en consecuencia, se fabrican con diferentes características. Por lo tanto no es un componente simétrico. Un transistor tiene dos formas principales de operación: como un interruptor o como una resistencia variable.
1.1 TRANSISTOR COMO INTERRUPTOR La función del transistor como interruptor es exactamente igual que la de un dispositivo mecánico: o bien deja pasar la corriente, o bien la corta. La diferencia está en que mientras en el primero es necesario que haya algún tipo de control mecánico, en el BJT la señal de control es electrónica. En la Figura 3 se muestra la aplicación al encendido de una bombilla.
Figura 3: El transistor bipolar como interruptor de corriente En el primer caso, bajo la señal de control adecuada, que es introducida a través de la base, el transistor se comporta como un circuito abierto entre el emisor y el colector, no existe corriente y la bombilla estará apagada. En el segundo caso, cambiando la señal de control, se cierra el circuito entre C y E, y los 12 V se aplican a la bombilla, que se enciende. Este funcionamiento entre los estados de corte y conducción se denomina operación en conmutación. Las aplicaciones típicas de este modo de operación son la electrónica de potencia y la electrónica digital , en la que los circuitos operan con dos niveles de tensión fijos equivalentes al
y
lógicos.
1.2 TRANSISTOR COMO RESISTENCIA VARIABLE En la Figura 4 se presenta la comparación entre un potenciómetro y un transistor colocados en un circuito.
Figura 4: Transistor bipolar operando como resistencia variable Si el valor de la resistencia del potenciómetro se fija en 5 kW, la tensión de salida V OUT será de 5 V. Al aumentar esta resistencia, la salida también aumentará de valor. Por ejemplo, con 20 kW VOUT resulta ser 8 V. Modificando el valor del potenciómetro se puede obtener cualquier valor en la salida comprendido entre 0 V y 10 V, ya que:
Al igual que en el potenciómetro, en el transistor se puede ajustar su resistencia entre colector y emisor, con la diferencia de que la señal de mando no es mecánica, sino eléctrica a través de la base. Como se verá más adelante, con una pequeña señal aplicada en la base puede gobernarse el BJT, con lo que aparece un concepto nuevo: la amplificación de señales. Esta función es la base de la electrónica analógica, aquella en la que se procesan señales de tensión respetando su forma de onda temporal.
2 PRINCIPIO DE OPERACION En este apartado se va a trabajar exclusivamente con el transistor NPN. No obstante, cabe señalar que los razonamientos necesarios para entender el transistor PNP son completamente análogos, por lo que se deja al lector la tarea de deducir los modelos característicos de su funcionamiento. En la Figura 2 pueden verse las dos uniones PN del transistor: la unión Base-Emisor (BE), y la unión Base-Colector (BC). Cada una por separado constituye un diodo, pero la conjunción de ambas provoca un efecto nuevo, denominado efecto transistor . Obviamente, el estado global del transistor depende de la polarización, directa (PD) o inversa (PI), de las dos uniones. Los casos posibles se adjuntan en la tabla siguiente:
Unión
Unión
Estado
PI
PI
Corte
PD
PD
Saturación
PD
PI
RAN
PI
PD
RAI
Los dos últimos casos, la Región Activa Normal (RAN) y la Región Activa Inversa (RAI) son conceptualmente similares. Si el transistor fuera simétrico, estaríamos ante la misma región de funcionamiento, solo que con los terminales intercambiados. Sin embargo el colector y el emisor se fabrican de forma diferente, precisamente para adaptar su funcionamiento a la RAN. Por ello no se suele trabajar en la RAI. Una vez aclarado este punto se va a analizar el funcionamiento en cada región de operación.
2.1 REGION DE CORTE Como elemento básico para la discusión en este apartado se va a emplear el circuito de la Figura 5.
Figura 5: Transistor BJT polarizado en la región de corte En el circuito de la Figura 5:
En este caso las dos uniones están polarizadas en inversa, por lo que existen zonas de deplección en torno a las uniones BE y BC. En estas zonas no hay portadores de carga móviles, por lo tanto, no puede establecerse ninguna corriente de mayoritarios. Los portadores minoritarios sí pueden atravesar las uniones polarizadas en inversa, pero dan lugar a corrientes muy débiles. Por lo tanto, un transistor en corte equivale a efectos prácticos, a un circuito abierto. A partir de esta definición, se pueden deducir fácilmente los modelos matemático y circuital simplificados para este estado. El transistor BJT en la región de corte se resume en la Figura
Figura Modelo del
en corte para señales de continua
Obviamente, en estos modelos no se tiene en cuenta el efecto de las corri entes de fuga de las dos uniones, y sólo son válidos para realizar una primera aproximación al comportamiento de un circuito.
EJEMPLO 1: Calcular las tensiones V BE, VBC y VCE así como las corrientes IB, IC e IE del circuito de la figura 7, cuando EB = 0 V.
Figura 7: Circuito del ejemplo 1
SOLUCIÓN: La base del transistor está conectada a la fuente a través de una resistencia R B. Puesto que la diferencia de potencial entre los extremos del generador es nula, no puede polarizarse la unión BE en directa, por lo que el transistor está en corte, es decir:
V BC = V BE - V CE = 0 - 10 = - 10 V Pueden obtenerse los mismos resultados si se sustituye el transistor en el circuito por su modelo equivalente:
2.2 REGION ACTIVA NORMAL Para facilitar el estudio y comprensión de los fenómenos que suceden cuando se polariza el transistor en RAN, se va a analizar en primer lugar el comportamiento del transistor en las situaciones descritas en la Figura 8 a) y b).
Figura 8: Transistor NPN. En la Figura 8 a), como la tensión EC está aplicada al colector, la unión base-colector estará polarizada en inversa. A ambos lados de la unión se creará la zona de deplección, que impide la corriente de portadores mayoritarios. No existirá corriente de colector significativa, y el transistor se encontrará operando en la región de corte. En el caso de la Figura 8 b), la fuente EB polariza la unión base-emisor en directa, que se comporta como un diodo normal, es decir, la zona P inyecta huecos en la zona N, y esta electrones en aquella. Si el dopado de la base es muy inferior al del emisor, la inyección de huecos será muy inferior a la de electrones, y se puede describir el proceso así: el emisor inyecta electrones en la base. Estos se recombinan con los huecos que provienen de la fuente de alimentación y se crea una corriente IB. En este caso el colector no entra en juego. La operación en RAN se da cuando la unión BE se polariza en directa y la BC en inversa. Los tres puntos característicos de esta región de operación son: 1. Corriente de colector no nula: conducción a través de la unión BC pese a que está polarizada en inversa. 2. La corriente de base es muy inferior a la de colector. 3. La corriente de colector es proporcional a la corriente de base.
Figura 9: Transistor NPN en RAN.
Conducción a través de la unión BC En el circuito de la Figura 9 la unión BE se polariza en directa, mientras que si E C es mayor que EB, la unión BC estará en inversa, luego no debería circular corriente a través de esta última. Lo que sucede es que el emisor (tipo N) inyecta electrones en la base (tipo P), en la que los portadores mayoritarios son los huecos, y los minoritarios son los electrones. Como se explicó anteriormente, una unión PN en inversa bloquea el paso de mayoritarios, pero no de minoritarios (que constituyen la corriente de fuga en inversa). Por lo tanto, los electrones inyectados desde el emisor a la base, atraídos por el potencial positivo aplicado al colector, pueden atravesar la unión BC, y dar origen a la corriente de colector I C. Mediante el emisor, se inunda la base de electrones, aumenta drásticamente el número de portadores minoritarios del diodo basecolector , con lo que su corriente inversa aumenta también. Así que la primera contradicción queda resuelta. El diodo BC no conduce realmente en inversa, sino que sus corrientes de fuga se equiparan con la corriente normal gracias al aporte de electrones que provienen del emisor.
La corriente de base es muy inferior a la de colector En este punto de la explicación surge una pregunta: ¿y por qué los electrones llegan hasta la unión BC y no se recombinan como en la Figura 8.b)?. La Figura 10 muestra la distribución de corrientes.
Figura 10: Distribución de corrientes en un transistor NPN en RAN. Si la base es estrecha y está poco dopada, es relativamente probable que un electrón la atraviese sin encontrarse con un hueco. Típicamente, lo s BJT se construyen para que se recombine el 1% de los electrones. En este caso se obtiene una ganancia de c orriente de 100, es decir, la corriente de base es 100 veces inferior a la del colector. Como la corriente de emisor es la suma de estas dos, es obvio que su valor es cercano al de la corriente de colector, con lo que en la práctica se consideran iguales ( sólo operando en RAN ).
La corriente de colector es proporcional a la corriente de base Centrando la atención en la recombinación de los electrones en la base procedentes del emisor. Allí donde había un hueco pasa a haber, tras la recombinación, un ion negativo inmóvil. Si desaparecen los huecos de la base y se llena de iones negativos, se carga negativamente, y se repelen los electrones procedentes del emisor. En este caso se impediría la circulación de corriente, es decir, es necesario que la corriente de base reponga huecos para que haya corriente de colector. Por tanto, por cada electrón recombinado hay que introducir un hueco nuevo que neutralice la carga negativa. Si la reposición de huecos es lenta (corriente I B pequeña), la capacidad de inyectar electrones será baja, debido a la repulsión eléctrica. Este fenómeno tiene la propiedad de ser aproximadamente lineal, con lo que se puede establecer que:
en donde es un coeficiente adimensional denominado ganancia directa de corriente, o bien ganancia estática de corriente. Resumiendo….
El transistor bipolar operando en la RAN se comporta como un amplificador de corriente. La corriente débil
se reproduce amplificada en un factor
en
.
Los modelos y condición de existencia se presentan en la Figura 11. De nuevo hay que reseñar que se trata de un modelo muy simplificado, que sólo da cuenta de los fenómenos básicos señalados anteriormente.
Figura 11: Modelo del BJT en RAN para señales de continua. La condición de corriente de base mayor que cero se refiere a corriente entrante en el dispositivo, es decir, la corriente debe entrar por la base para que el esté en RAN. Para los valores habituales de IB, la tensión VBE se sitúa en torno a los 0,7 V. Por ello, en muchas ocasiones se toma este valor para realizar un análisis aproximado de los circuitos.
EJEMPLO 2: En el circuito de la Figura 7 calcular VBE, VBC y VCE así como las corrientes IB, IC e IE cuando EB = 5 V y cuando E B = 7 V. La ganancia de corriente del transistor es F = 100.
SOLUCIÓN: Al aplicar una diferencia de potencial positiva (> 0,7) a la base se polariza la unión BE en directa. Además, si EB, es inferior a la de la fuente conectada al colector, la tensión de colector será superior a la de la base, con lo que la unión BC estará polarizada en inversa. Se dan, por lo tanto, las condiciones necesarias para la operación en RAN, con lo que se verifica aproximadamente que:
; Estas dos ecuaciones pueden introducirse en el circuito empleando el modelo equivalente:
Figura : Análisis del transistor en RAN El análisis del circuito permite añadir dos ecuaciones nuevas para el cálculo de I B, IC y VCE:
De la primera expresión se obtiene
Teniendo en cuenta que
:
:
Finalmente:
En la tabla siguiente se adjuntan los resultados numéricos de los dos casos requeridos en el enunciado:
IB
IC
IE
VBE
VCE
VBC
EB = 5 V
43 A
4,3 mA
4,343 mA
0,7 V
5,7 V
-5 V
EB = 7 V
63 A
6,3 mA
6,363 mA
0,7 V
3,7 V
-3 V
Los resultados obtenidos en el ejemplo 2 sugieren los siguientes comentarios:
La tensión VBC obtenida en ambos casos es negativa, lo que significa que la polarización de la unión BC es inversa. Como además la corriente de la base es positiva queda comprobado que el transistor está operando en RAN. La corriente IE tiene un valor muy cercano al de IC. En la práctica, sería difícil de detectar la diferencia entre ambas mediante aparatos de medida convencionales. Por ello, en ocasiones se realiza la aproximación IC = IE. Una variación de corriente en la base de tan sólo 20 A provoca una variación en la tensión VCE de 2 V. Este es el principio de la amplificación analógica de señales.
Centremos ahora la atención en la evolución de VCE. Cuando el transistor está en corte VCE = 0 V. En la RAN, a medida que aumenta EB disminuye VCE. Este resultado es lógico, puesto que IC es directamente proporcional a EB. Como VCE = EC- RCIC, al aumentar el término negativo disminuye el valor de la resta. Gráficamente puede representarse este hecho como sigue (Figura 13):
Figura 13: Evolución de las tensiones y corrientes en el ejemplo 2 Si RC fuera una bombilla, en el caso A estaría apagada, mientras que en los casos B y C proporcionaría luz. Evidentemente, en el caso C la intensidad de la luz será mayor que en el B, puesto que la tensión aplicada es mayor. Aquí se pone de manifiesto claramente el funcionamiento del transistor como resistencia variable, ya que el comportamiento entre C y E es similar al de un potenciómetro: modificando la señal de control convenientemente podemos variar la tensión de alimentación de la bombilla entre 0 y 10 V.
2.3 REGION DE SATURACION Supongamos que tenemos un transistor polarizado en la RAN según el circuito de la Figura 7). En la tabla de resultados del ejemplo 2 queda claro que según aumenta la tensión EB (o bien la corriente IB) el valor absoluto de la tensión V BCdisminuye. Llegará un momento en el que, si IB crece lo suficiente V BC cambiará de signo y pasará a ser positiva. En ese instante, la unión BC dejará de estar polarizada en inversa, y entrará en polarización directa. La consecuencia es que el colector pierde su capacidad de recolectar electrones, y la corriente I C resulta ser inferior al valor IB.
Figura 14: Transistor BJT polarizado en la región de saturación Por otra parte, según se muestra en la Figura 14, al estar las dos uniones polarizadas en directa, la tensión entre el colector y el emisor en saturación será: VCE SAT = VBE ON - VBC ON Si los diodos BE y BC fueran idénticos, la tensión de conducción de ambos sería prácticamente igual, y entonces la tensión V CE SAT sería nula. Sin embargo, tal y como se ha comentado anteriormente, el colector y el emisor se fabrican con distintas características. Normalmente la tensión VBE ON es aproximadamente igual a 0,7 V, mientras que V BC ON se sitúa en torno a los 0,5 V. Ello conlleva una tensión cercana a 0,2 V. Dado que la tensión de codo de los diodos permanece prácticamente constante para las corrientes de operación habituales, la tensión V CE SAT es también independiente de las corrientes I B ó IC. Con ello el transistor pierde su capacidad de gobierno sobre la corriente de colector, que será controlada únicamente por el circuito externo. Análogamente al resto de regiones de funcionamiento, también puede hallarse un modelo simplificado para realizar cálculos con un transistor polarizado en la región de saturación:
Figura 15. Modelo simplificado del BJT en saturación. Como puede observarse, en este modelo se toma la tensión V CE SAT nula, pero podría considerarse cualquier valor sin más que incluir una fuente de tensión independiente del valor deseado entre el colector y el emisor.
EJEMPLO 3: En el circuito de la Figura 7 calcular VBE, VBC y VCE así como las corrientes IB, IC e IE cuando EB = 15 y 20 V. La ganancia de corriente del transistor es F = 100.
SOLUCIÓN: En este caso la tensión apl icada a la base con respecto al emisor es claramente superior a la aplicada al colector. Por lo tanto el transistor está operando en la región de saturación. Sustituyendo el modelo correspondiente en el circuito original se tiene que:
En la tabla siguiente se presentan los resultados numéricos para los casos indicados en el enunciado del problema:
IB
IC
IE
VBE
VCE
VBC
EB = 5 V
143 A
10 mA
10,14 mA
0,7 V
0
0,7 V
EB = 7 V
193 A
10 mA
10,19 mA
0,7 V
0
0,7 V
La corriente IC se mantiene constante en 10 mA, pese a las variaciones de I B, puesto que la tensión VCE es ahora constante. Nótese además que en ambos casos se cumple que I C es menor que el producto FIB. Retomando de nuevo el caso en el que R C sea una bombilla, los resultados obtenidos muestran que ahora la intensidad luminosa será ahora constante, luego se ha perdido la capacidad de regular, y el dispositivo se comporta ahora como un interruptor cerrado. A modo de recapitulación, la siguiente figura muestra la evolución global de I C con respecto a EB, donde se puede apreciar el paso del transistor por las tres regiones de operación.
Figura 16: Gráfica
frente a
.
3 CURVAS CARACTERISTICAS. PUNTO DE OPERACION Al ser el transistor bipolar un dispositivo triterminal son necesarios seis parámetros para determinar el estado eléctrico del mismo: tres tensiones y tres corrientes. Aplicando las leyes básicas de resolución de circuitos pueden presentarse dos ecuaciones:
Por ello, los parámetros independientes se reducen a cuatro. En un circuito determinado y bajo la acción de unas excitaciones concretas, existirán unos valores de estos cuatro parámetros que caracterizan por completo el estado del transistor. Dicho cuarteto se denomina punto de operación (Q). Las curvas características más empleadas en la práctica son las que relacionan V BE con IB y VCE con IC e IB. Con frecuencia, estas curvas son facilitadas por los fabricantes.
3.1 CARACTERISTICA VBE-IB La función que liga VBE con IB es la característica de un diodo, y puede aplicarse todo lo dicho cuando se estudió aquél.
Figura 17: Característica IB-VBE. La curva representada en la Figura 17 sigue la expresión:
3.2 CARACTERISTICA VCE-IC Según lo explicado hasta ahora, la característica V CE - IC debería ser la siguiente:
Figura 18: Característica VCE -IC ideal. Idealmente, en la RAN la corriente de colector depende exclusivamente de la de base, a través de la relació relación n . Por lo tanto, tanto, en el plano plano , la represe representa ntación ción estará estará formada por rectas horizontales (independientes de VCE) para los diversos valores de IB (en este caso se ha representado el ejemplo para
). Evidentemente, no se dibujan más que
unos valores de IB para no emborronar el gráfico. Para , la corriente de colector también debe ser nula. La región de corte está representada por el eje de abscisas. Por contra, para el transistor entra en saturación, luego esta región queda representada por el eje de ordenadas. Hasta aquí se presenta la característica ideal, pero como era de esperar, la realidad es un poco más compleja (Figura 19):
Figu Figura ra 19: 19: Cara Caract cter erís ísti tica ca
-
real real..
Las diferencias son claras:
En la RAN la corriente de colector no es totalmente independiente de la tensión colectoremisor . Para valores altos de la corriente cobra importancia la resistencia interna del transistor.
La región de saturación no aparece bruscamente para , sino que hay una transición gradual. Típicamente se suele considerar una tensión de saturación comprendida entre 0,1 V y 0,3 V.
3.3 PRINCIPALES PARAMETROS COMERCIALES De entre los numerosos datos q ue suministran los fabricantes de componentes electrónicos, con respecto a los transistores
cabe destacar los siguientes:
Tensión máxima en entre colector y emisor, colector-base y emisor-base (V CEO, VCBO y VEBO): son las tensiones máximas a las que se puede someter a los terminales del transistor. Tensiones mayores pueden provocar una ruptura en inversa y la destrucción del transistor.
Corriente continua máxima de colector, : es la corriente máxima que puede circular por el colector sin que el transistor sufra ningún daño. Ganancia de corriente en DC (DC (DC Current Gain): Gain): se suele especificar la ganancia para varios puntos de operación, incluso pueden ser suministradas las gráficas de la ganancia en función de la corriente de colector. La fluctuación de su valor es debida a los efectos de segundo orden. Tensiones de saturación V CE(sat), VBE(sat): son las tensiones que aparecen entre los terminales en la región de saturación.
Potencia máxima disipable (Total (Total Device Dissipation): Dissipation ): potencia máxima que puede disipar el transistor sin sufrir ningún daño.
es la
Además es habitual facilitar la influencia de la temperatura en el funcionamiento del transistor.
4 MODELOS DELTRANSISTOR BIPOLAR Existen dos tipos principales de señales aplicadas al transistor BJT:
Señales de continua Señales de alterna de pequeña amplitud que oscilan respecto a un punto de operación en RAN
En este apartado se presentan modelos del transistor BJT válidos para el análisis de ambas situaciones. En primer lugar se presenta el modelo de Ebers-Moll, con el que puede realizarse el cálculo de las corrientes y tensiones de polarización de un transistor sea cual fuere su región de operación. A partir de las ecuaciones dictadas por este modelo, se deducen posteriormente las expresiones necesarias para el análisis de señales de alterna de pequeña amplitud, a través del modelo de parámetros híbridos.
4.1 MODELO DE EBERS-MOLL En el apartado 2 se han presentado los modelos parciales para cada una de las regiones de funcionamiento (corte, saturación, RAN) del transistor bipolar. Sin embargo, existe un modelo estático general válido para las tres regiones: el modelo de Ebers-Moll . El modelo está basado en el hecho de que un transistor BJT se compone de dos uniones PN, la unión base-emisor y la unión base-colector. Por lo tanto se puede expresar las corrientes del transistor como la superposición de las corrientes en las dos uniones PN. En la Figura 20 se muestra la notación empleada durante este apartado.
Figura 20: Notaciones empleadas en este apartado Considerando el modelo ideal para los diodos BE y BC se tiene que:
donde ICS, IES son las corrientes de saturación de ambos diodos. Sin embargo, el comportamiento del transistor es más complejo que el de dos diodos conectados en serie. Se debe tener el cuenta el efecto transistor descrito descrito en el capítulo 2: debido a que las uniones se encuentran muy próximas entre sí se produce una interacción electrónica entre ellas.
En la Figura 7.21 se muestra el modelo de Ebers-Moll para un transistor NPN. Este se compone de dos diodos de unión PN y dos fuentes de intensidad dependientes.
Figura 7.21: Modelo de Ebers-Moll para el transistor bipolar NPN. El efecto transistor viene caracterizado por las fuentes de corriente dependientes. Como se ha explicado, parte de la corriente IDBE, que circula por la unión base-emisor es atrapada por la unión base-colector. Este hecho se modela mediante la fuente de corriente a FIDBE. aF es un parámetro característico de cada transistor que toma valores próximos a la unidad. De igual manera, parte de la corriente I DBC atraviesa la región de base para alcanzar el emisor. Esto se modela con la fuente de corriente aRIDBC. Debido a que la estructura de un transistor no es simétrica, sino que está optimizada para obtener valores altos de a F, aR es generalmente pequeña (desde 0.02 a 0.5). Además, aplicando las leyes de la física de semiconductores se obtiene la condición de reciprocidad, que se concreta en la siguiente expresión:
IS toma valores entre 10 -14 y 10-15A para transistores de baja potencia. Si se aplica la ley de los nudos en el emisor, el colector y la base
Se puede sustituir en esta ecuación las corrientes de los diodos I DBE y IDBC. Además, si se definen las constantes b F y bR de manera que
las ecuaciones anteriores, resultan
que son las ecuaciones de las intensidades en l os tres terminales del transistor NPN según el modelo de Ebers-Moll. Estas ecuaciones son válidas para cualquier región de funcionamiento. Aún siendo un modelo complejo del transistor, el modelo de Ebers-Moll no describe todos los efectos que tienen lugar en el dispositivo. Los llamados efectos de segundo orden como la tensión de ruptura en inversa de las uniones PN, o la dependencia de I C con VCE no están incluidos en este modelo.
4.2 APLICACION DEL MODELO DE EBERS-MOLL A LA REGION ACTIVA NORMAL En este apartado se van a simplificar las ecuaciones de Ebers-Moll, deducidas en el apartado anterior para el caso de que el transistor se encuentre funcionando en la RAN. Como ya se ha comentado, el funcionamiento en la RAN de un transistor se caracteriza por tener la unión PN polarizada en directa (con VBE 0.7V) y la unión base colector polarizada en inversa (VBC < 0). Obsérvese que bajo estas condiciones las expresiones exponenciales de las ecuaciones de Ebers_Moll se pueden simplificar
y las ecuaciones quedan reducidas a:
Como el segundo sumando de estas ecuaciones suele ser despreciable frente al valor de I B, IC e IE, a partir de las ecuaciones B. y C., se puede obtener la relación
que concuerda con la deducida en el apartado 2.2.
4.3 MODELO HIBRIDO PARA PEQUENTILDE;AS SENTILDE;ALES DE ALTERNA En este subapartado se presenta el modelo híbrido del transistor BJT, uno de los más ampliamente utilizados para el análisis de las pequeñas señales de alterna. Para la deducción del mismo se consideran las siguientes hipótesis:
Transistor polarizado en RAN Oscilaciones alternas de baja amplitud y baja frecuencia
4.3.1 Expresiones generales Según se ha indicado en el apartado 3, el punto de operación de un transistor bipolar viene indicado por cuatro variables eléctricas. De entre las diversas opciones posibles, para la deducción del modelo híbrido se escogen como variables independientes la corriente I B y la tensión VCE, mientras que las dependientes son V BE e IC. De este modo, las ecuaciones características del transistor vendrán dadas por dos funciones f 1 y f 2 tales que:
Las tensiones y corrientes de un punto de polarización concreto vendrán dadas por las expresiones anteriores:
Supongamos que sobre este punto de operación Q se añade una componente alterna, caracterizada por un IB y por un VCE. Para calcular el VBE y el IC pueden sustituirse las funciones f 1 y f 2 en las cercanías del punto Q por las tangentes respectivas en dicho punto. Como se trata de funciones de dos variables independientes, las expresiones serán las siguientes:
A partir de este momento, para simplificar la notación se escribirán con letra minúscula los incrementos de las variables. La expresión anterior admite una representación matricial:
en donde los coeficientes h ij se llaman parámetros híbridos, puesto que tienen diferentes unidades entre sí.
hie : Impedancia de entrada () hre: Ganancia inversa de tensión hfe : Ganancia directa de corriente, o ganancia dinámica hoe : Admitancia de salida (-1)
4.3.2 Cálculo de los parámetros híbridos Para el cálculo de los parámetros hij se van a emplear las expresiones resultantes del modelo de Ebers-Moll para la RAN.
Función f 1 =>
Función f 2 =>
Tal y como puede observarse, los coeficientes h re y hoe son nulos según estos cálculos. Este resultado refleja las limitaciones del modelo de Ebers-Moll propuesto, ya que en realidad h re 5 x 10 5 y hoe 6 x 10-6 -1. Sin embargo, su valor es tan pequeño que en muchos casos son aceptables las expresiones obtenidas anteriormente.
4.3.3 Representación gráfica El modelo híbrido , con las simplificaciones mostradas en el subapartado anterior, admite la siguiente representación gráfica:
Figura 22: Modelo híbrido para pequeñas señales de alterna
5 EJEMPLO DE APLICACION: EL AMPLIFICADOR DE SEÑALES ALTERNAS El mundo está lleno de pequeñas señales que necesitan amplificarse para pro cesar la información que contienen. Por ejemplo: una guitarra eléctrica. El movimiento de una cuerda metálica en el interior de un campo magnético (creado por los captadores o pastillas) provoca una pequeña variación de tensión entre dos terminales de una bobina. Para que esa débil señal pueda llegar a los oídos de todo un auditorio, es evidente que se necesita una amplificación. La señal producida por la pastilla de la guitarra viaja por un par de terminales hasta el amplificador. Aquí se produce la transformación de la pequeña señal, que es capaz ahora de excitar la membrana de un altavoz con la potencia que se desee. Para que se pueda oír lo que se toca realmente, la amplificación debe cumplir ciertas condiciones: 1. Debe respetar la forma de onda de la tensión de entrada. Si no lo hace así, se produce una distorsión , una pérdida de la información que aporta. 2. La energía absorbida de la fuente que emite la onda que se desea amplificar ha de ser mínima. El circuito amplificador necesita una fuente de alimentación propia.
5.1 EL TRANSISTOR BIPOLAR El esquema más sencillo de amplificador de señales es el propio transistor bipolar.
Figura 23: Circuito con un transistor bipolar.
Si el transistor se encuentra en la RAN, hay una relación lineal entre
e
:
Como es reflejo de la entrada e lo es de la salida, este esquema proporciona una ganancia en corriente. Sin embargo presenta dos limitaciones muy importantes:
1. Sólo amplifica la parte positiva de la señal: Cuando
es menor que 0,7 V Q pasa al
estado de corte, con lo que . 2. Requiere señales de tensión grandes, por lo menos mayores que 0,7 V, ya que la señal de entrada ha de polarizar en directa la unión BE y llevar el transistor a la RAN. Con este dispositivo sólo se puede trabajar con señales positivas mayores de 0,7 V. Por lo tanto no es capaz de amplificar señales de alterna. La figura siguiente representa aproximadamente la respuesta que se obtendría al tratar señales de alterna:
Figura 24: Corrientes en el circuito de la Figura 23.
5.2 POLARIZACION DEL TRANSISTOR Q A TRAVES DE LA BASE
Figura 25: Transistor polarizado a través de la base. Este esquema presenta la novedad de la resistencia R B. Gracias a ella, la base se polariza mediante la fuente de alimentación EC y no mediante proviene de dos fuentes:
. La corriente que llega a la base
: Es la señal que queremos amplificar, por lo tanto, será variable en el tiempo. : Esta corriente es la suministrada por E C, que es una fuente de continua, para la polarización del transistor.
La intensidad de colector será, si Q está en la RAN:
Finalmente, puede calcularse la tensión de salida
:
La siguiente figura ayuda a comprender mejor estos conceptos.
Figura 26: Tensiones y corrientes en el circuito de la Figura 25. La onda de salida es, efectivamente, proporcional a la entrada, pero está desplazada en el eje de las "Y", es decir, tiene una componente de continua que ha sido introducida por la fuente de polarización del transistor.
LOGROS DEL ESQUEMA: 1. El transistor es también capaz de amplificar la parte negativa de la señal. 2. La tensión de entrada puede ser pequeña, ya que ahora el transistor se polariza a través de una fuente de alimentación ajena a la entrada. 3. En la salida se dispone de una señal de tensión, gracias a R C, que cumple dos misiones:
o o
Transforma en una tensión . Junto con RB lleva el transistor a la RAN.
INCONVENIENTES:
1. Al conectar directamente el generador de señal a la entrada, I B iría a tierra a través de él. Esto podría dañar el generador (en el ejemplo de la introducción, las pastillas o captadores de la guitarra eléctrica) 2. Al conectar directamente la salida a la carga (altavoz), IC iría a tierra a través de ella, dañándola. Los inconvenientes de este esquema están introducidos por la corriente continua de polarización. Estas corrientes deben quedar limitadas al interior del dispositivo amplificador.
5.3 EL CONDENSADOR DE ACOPLAMIENTO El condensador es un componente que se comporta como un circuito abierto para la corriente continua. Por medio de él, se aísla tanto la entrada como la salida de las componentes de continua. Si elegimos correctamente el valor de la capacidad de acuerdo con la frecuencia a la que se espera que trabaje el dispositivo , se logra además que estos con densadores se comporten como un cortocircuito para las señales de alterna que se quieren amplificar. En cualquier caso, la respuesta frecuencial del amplificador queda limitada por los valores de C 1 y C2.
Figura 27: Esquema amplificador con condensadores de acoplamiento. Una vez visto el esquema básico de un amplificador, se enuncian los parámetros más importantes de éste:
: Señal de entrada (pequeña señal AC). : Corriente de entrada, que se absorbe del generador de señal de entrada (AC). : Señal de salida (AC).
,
: Corrientes de polarización del transistor (DC).
,
: Resistencias de polarización.
: Carga sobre la que se aplica la tensión de salida.
: Aísla la entrada del circuito de la polarización en continua.
: Aísla la salida del circuito de la polarización continua.
5.4 GANANCIA Y RESISTENCIA DE ENTRADA DE UN AMPLIFICADOR El esquema presentado es sólo una de las posibles soluciones válidas para la amplificación de señales. Para comparar las características de todos ellos, se definen dos parámetros de AC: la ganancia en tensión y la resistencia de entrada:
Ganancia en tensión: Es el cociente entre la señal de salida y la aplicada al dispositivo. Normalmente, la ganancia depende de la carga que se conecte (
).
Nótese que en este parámetro se r elacionan las amplitudes de las señales alternas entrada y de salida y no los valores instantáneos. Se da por supuesto que el circuito va a mantener en gran medida la similitud de las formas de onda, y de lo que se trata es de cuantificar la magnitud de la amplificación. (El grado de distorsión de la señal de salida con respecto a la de entrada se valora mediante otros parámetros).
Resistencia de entrada: La resistencia de entrada da una idea de la cantidad de corriente que absorbe la fuente de señal que se desea amplificar (no hay que confundir la con la fuente de alimentación del amplificador). Dado que interesa absorber poca energía de la fuente, el amplificador será tanto mejor cuanto mayor sea su resistencia de entrada.
Puesto que la señal de entrada es alterna, estamos de nuevo ante un parámetro que relaciona las amplitudes de las oscilaciones de las magnitudes eléctricas implicadas
5.5 METODO DE CALCULO Cuando todos los componentes de un circuito responden a ecuaciones lineales, se puede aplicar el principio de superposición. En este caso, los transistores no son componentes lineales. Sin embargo, teniendo en cuenta que las señales aplicadas son de baja amplitud, el transistor opera soportando pequeñas oscilaciones con respecto a unas magnitudes continuas, luego sí que es posible aplicar la superposición teniendo en cuenta el punto de operación: 1. Cálculo del punto de operación DC : Se sustituyen los condensadores por circuito abierto. A continuación se introduce el modelo DC del transistor en RAN y se calculan los valores de las corrientes y tensiones de polarización. 2. Determinación del modelo AC del transistor : Ha de emplearse el modelo de pequeñas señales, particularizando para en los resultados del punto 1.
3. Estudio del circuito en AC . En este estudio las componentes de continua no afectan a la relación de las amplitudes de las ondas AC. Por consiguiente pueden cortocircuitarse las fuentes de tensión continua. Si el diseño del circuito es correcto, los condensadores pasan a comportarse como cortocircuitos.
5.6 EJEMPLO DE CALCULO A continuación se aplica este procedimiento al cálculo de presentado, en su funcionamiento en vacío.
y
en el último esquema
1) Punto de operación DC
Figura 28: Esquema equivalente DC del circuito Figura 27. Según el circuito equivalente DC:
2) Parámetros del modelo equivalente AC Los parámetros del modelo AC son la resistencia de entrada corriente
y la ganancia dinámica de
. Ambos han sido definidos en el subapartado 4.3.2 de este capítulo.
;
3) Estudio AC La figura 24 muestra el esquema equivalente del circuito para las señales de alterna.
Figura 29: Circuito equivalente AC La resistencia R B está conectada por un terminal a la fuente de señales y a la base, y por el otro a la fuente de alimentación E C. Idealmente, esta fuente no ofrece ningún obstáculo para las señales de alterna (si su resistencia interna es nula), se comporta como un cortocircuito que conecta RB con tierra. En el lado derecho del esquema, R C se une por una parte con el colector del transistor, y por la otra con tierra a través de la fuente de alimentación. Es de vital importancia que se tenga en cuenta que en este esquema sólo se relacionan las amplitudes de las ondas , y no sus valores instantáneos. Los valores de r IN y AV pueden obtenerse a partir del esquema de la figura 24.
Como
:
Nótese que para el cálculo de los parámetros r IN y AV no es necesario definir el valor de v IN , ya que en ambos casos se calcular variaciones de una magnitud con respecto a esa tensión de entrada.
ETAPAS DE AMPLIFICACION ESTABILIZADAS El esquema de la Figura 27 presenta un claro problema de inestabilidad: La tensión de la base depende directamente de la corriente de base. Cualquier pequeña variación debido a la influencia de la temperatura sobre la resistencia RBmodificará el punto de operación, y con él la ganancia. El esquema de la Figura 30 incluye dos mejoras con respecto al anterior:
Polarización de la base a través de un divisor de tensión. Estabilización mediante resistencia de emisor.
Figura 30: Circuito amplificador estabilizado. Las funciones de estos subcircuitos son:
Divisor de tensiones: Mediante una correcta selección de las resistencias
y
puede conseguirse que la corriente sea muy superior a . Entonces, la tensión de la base quedará fijada únicamente por el valor de las resistencias del divisor.
Resistencia de emisor ( ): Un aumento de la corriente de colector provocará una elevación de la tensión de emisor. Con ello, como la tensión de base es fija, la tensión base emisor disminuirá, la corriente de base también y finalmente, la corriente de colector volverá a su valor de diseño. El condensador se encarga de cortocircuitar esta resistencia en alterna.
1 Un transistor está polarizado en RAN como se indica en la figura. Tiene una corriente de base de 8 mA y una corriente en el colector de 1.2 mA. ¿Cuál es valor de la corriente en el emisor?. ¿Cuál es la ganancia (b) del transistor?.
2 Un transistor se conecta como se muestra en la figura del problema anterior. La corriente del emisor es de 2.42 mA y la del colector es de 2.4 mA. ¿Cuánto vale la corriente en la base?. ¿Y el valor de b?
3 Un transistor está conectado como se indica en la figura del problema 1. Tiene una corriente de base de 16 mA y una ganancia de 80. ¿Cuánto vale la corriente en el colector?. ¿Y en el emisor?
4 En el circuito de la figura b =80, IB = 10 mA, R1 = 50 KW, R2 = 6 KW y V2=10V.
¿Qué valor tomarán los medidores IE, IC y VCE, si se admite la hipótesis de que el transistor está polarizado en la RAN?. A la vista de los resultados del apartado 1, comprobar la validez de la hipótesis.
5 Si la corriente de base es 30 A y la corriente de emisor es 4mA, ¿Cuál es el valor de ? 6 Encontrar la tensión en el colector cuando el transistor de la figura del problema 8 se encuentra en saturación.
7 Encontrar la tensión del colector del transistor de la figura del problema 8 cuando se encuentra en corte.
8 Si la b del transistor de la figura es 50, ¿Qué tensión es necesaria a la entrada para saturar el transistor?
9 Si la tensión de mínima en la entrada es de 3.7 V, ¿Cuál es el valor límite de la resistencia R1 de la figura del problema 8 antes de entrar en saturación para un valor de b de 50?
10 Cuando la entrada en la figura del problema 8 es de 5V, ¿Qué b se requiere para saturar el transistor?
11 En el circuito de la figura del problema 8 suponer que la corriente del colector es de 4 mA cuando la corriente de entrada es de 0.5 mA. En estas condiciones, ¿Cuál será la corriente del emisor?
12 En el circuito de la figura del problema 8 suponer que la corriente del colector es de 4 mA cuando la corriente de entrada es de 0.5mA. Si la corriente de entrada se aumenta a 1.0 mA, ¿Qué le sucederá a la corriente del colector?
13 Considerando el circuito y el gráfico de la figura:
Calcular y dibujar la línea de carga del circuito entre C y E. Localizar el punto de operación Q en la gráfica cuando I C = 1,25 mA. Determinar la tensión de VCE en el punto Q. Calcular el valor de IB en el punto Q.
14 Sabiendo que VCC =12 V y dada la gráfica de la figura, calcular el valor de R C y RB necesario para que el transistor dado en la figura opere en el punto Q dado.
15 Calcular las tensiones y corrientes de polarización en DC para el circuito de la figura ( = 80).
16 ¿Que resistencia R B se requiere para que el transistor opere en el punto medio de la recta de carga si ECC es 20 V, RC es 5 KW y b es 125?
17 En el circuito amplificador de la figura:
Calcular el punto de operación DC del transistor. Determinar el modelo AC para pequeñas señales Calcular la ganancia y la resistencia de entrada del dispositivo
18 En el circuito de la figura:
Hallar el punto de operación DC del transistor. Determinar el modelo AC de pequeñas señales equivalente para ese punto de operación Hallar el valor de la impedancia de entrada y la ganancia en tensión. Tensión de salida del circuito si la entrada es una onda sinusoidal de 20 mV de tensión entre pico y pico.
19 En el esquema amplificador de la figura:
Calcular RB y RC para que VCEQ = 5 V, e ICQ = 1 mA. Determinar y dibujar el circuito equivalente para las señales de alterna.
20 Se tiene un amplificador como el de la figura, con un potenciómetro en la entrada que puede variar entre 0 y 1 KW.
Ganancia cuando RP = 0 KW. Ganancia cuando RP = 1 KW.
21 Para el amplificador de la figura calcular:
Punto de operación DC Circuito equivalente AC Ganancia y resistencia de entrada
1.
22 En el circuito de la figura calcular:
La ganancia de tensión. La resistencia de entrada que opone al generador de señal. Las tensiones y corrientes de polarización.
23 Para el circuito de la figura:
Encontrar la tensión en el colector cuando el transistor se encuentra en saturación. Encontrar la tensión del colector del transistor cuando se encuentra en corte. Calcular la potencia consumida por el transistor en ambos casos.
24 ¿Qué resistencia R b se requiere para que el transistor opere en el punto medio de la recta si Ecc es 20V, Rc es 4K y es 100?
25 Para el circuito de la figura, determinar:
Las tensiones y las corrientes de polarización del transistor. Representar en la gráfica I /V c ce la recta de carga y el punto de operación Q. Calcular la resistencia de entrada. Si manteniendo constantes los restantes valores dados en la figura, variamos R b, ¿para qué valores de Rb el transistor se encontraría en saturación?. Para esos valores de R b, determinar Vce, Vbe, Ic.
26 El transistor de la figura esta en configuración de colector común, también llamada seguidor de tensión y adaptador de impedancias. En este sencillo circuito se pide:
1.- Hallar la relación entre Vin y Vout (Vout=f(Vin)) 2.- Particularizar la expresión del apartado anterior para V in1=0.3V y Vin2=4V. Calcular las intensidades de base para ambos casos. 3.- Calcular la resistencia de entrada Rin (Rin=Vin /Iin) entre la puerta de entrada y tierra. 4.- Calcular la resistencia de salida Rout entre la puerta de salida y tierra. 5.- ¿Cual crees que es la tensión máxima que se puede aplicar a la base del circuito de manera que el circuito siga comportándose como un seguidor?¿Por qué?
27 El esquema de la figura representa un circuito seguidor de tensión para pequeñas señales. Se pide calcular:
El circuito equivalente en DC. El punto de operación del transistor (VCEQ,ICQ). El circuito equivalente en AC con sus parámetros. Ganancia de tensión y resistencia de entrada.
