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