El transistor como interruptor

Los transistores BJT pueden funcionar como interruptores si se les hace trabajar en la zona de saturación y de corte en el mismo circuito.

Cuando el transistor opera en la región de saturación se comporta como un interruptor cerrado («switch on»), dejando pasar la corriente desde el Colector hacia el Emisor. 

Sin embargo, cuando trabaja en la  zona de corte se comportará como un interruptor abierto («switch off»), impidiendo el flujo de electrones. 

Veámoslo con un ejemplo en el simulador:

Queremos diseñar un circuito con 2 fuentes de voltaje (VBB y VCC) de 1,5 y de 6 voltios respectivamente, que polaricen un transistor 2N2222 para que funcione  como un interruptor.

En la región de saturación el transistor va a dejar pasar la corriente desde el Colector hacia el Emisor y por lo tanto también a través de la carga, representada por el LED verde y su resistencia de protección (RC), provocando que el LED se ilumine. Además, para que esto ocurra deberá haber un flujo de electrones desde VBB hacia la Base del 2N2222, atravesando la resistencia de Base (RB). En este caso el transistor se comportará como un interruptor cerrado (Transistor en «ON»).

Sin embargo, en la región de corte el transistor no dejará pasar la corriente desde el Colector hacia el Emisor y por lo tanto no habrá flujo de corriente por la carga y el LED verde no se iluminará. Esto puede ocurrir por ejemplo, cuando se interrumpe el flujo de electrones desde VBB hacia la Base del 2N2222. En este caso el transistor se comportará como un interruptor abierto (Transistor en «OFF»).

Para calcular los valores de las resistencias RC y RB tomaremos el caso en el que el transistor 2N2222 funcione en la región de saturación.

En el caso de RC tendremos que tener en cuenta que el LED, para que se ilumine en toda su intensidad, deberá consumir unos 2 voltios de VCC  y además, el valor de VCE deberá ser prácticamente de 0 voltios.

Como en la malla de salida del transistor se cumple que   VCC – VRC – VLED – VCE = 0      entonces, RC deberá consumir unos 4 voltios de los 6 que aporta la fuente de tensión        VCC  (6 v – 4 v – 2 v – 0 v = 0 v).

Por otro lado, como el LED también necesita unos 20 mA de corriente para que se ilumine en toda su intensidad y como RC está en serie con el LED, por RC deberán fluir esos 20 mA. Así que por la ley de Ohm RC tendrá un valor de 200 Ω (4 v / 0,02 A).

Para calcular RB tendremos que tener en cuenta los 0,7 voltios que consume el transistor entre su Base y su Emisor (VBE = 0.7 v) de los 1,5 v que ofrece la fuente de tensión VBB.

Así que en la malla de entrada se cumple que   VBB – VRB – VBE = 0

Por lo que nos queda que la resistencia RB va a consumir unos 0,8 voltios (1,5 v – 0,7 v).

Tomaremos como corriente de Base 267 µA, que salen de dividir los 0,02 A de la corriente de Colector (IC) que habíamos precisado para que el LED verde se ilumine en toda su intensidad, por la Ganancia (hFE) del 2N2222, que tiene un valor de 75 como se indica en 

sus hojas de características técnicas (0,02 A / 75).

Así que si tenemos en cuenta los 0.8 voltios que RB va a consumir, aplicando la ley de Ohm, RB deberá tener un valor de 2996 Ω (0.8 v / 0,000267 A).

Podemos ver el funcionamiento de un transistor en modo interruptor con el siguiente ejemplo práctico:

Imaginemos una granja de pollos con varias incubadoras.

Cada incubadora tiene una bombilla o lámpara de calor para ayudar a nacer a los pollitos. 

Supongamos que no tenemos acceso directo a las incubadoras y que nos es muy difícil determinar si alguna de las lámparas se ha fundido, caso en el que podríamos poner en peligro el proceso de incubación.

Pues bien, se nos encarga diseñar un circuito electrónico en el que nos indique si la lámpara de una de las incubadoras está en funcionamiento o si se ha fundido, mostrando ambos estados en un panel de diodos LED. En este panel centralizado habrá para cada lámpara un LED de color verde que se nos ilumine si ésta funciona correctamente, o un LED de color rojo que se ilumine si la lámpara se ha fundido.

Este circuito lo podemos construir utilizando un transistor que funcione como interruptor.

En primer lugar diseñaremos y montaremos el circuito en el simulador «Multisim» y después lo construiremos con componentes reales.

Las lámparas de calor utilizadas en incubadoras, generalmente se deben conectar a una red eléctrica de 220 voltios en corriente alterna y tienen potencias de funcionamiento de 100 watios o más. 

Para conectar estas lámparas con tales condiciones eléctricas, con un diodo LED que funciona con voltajes y amperajes mucho menores, se pueden utilizar otros dispositivos electrónicos que reduzcan de forma importante el voltaje y la potencia que le llega al LED luminoso. Tal es el caso de condensadores, de los cuales se aprovecha su reactancia capacitiva, transformadores para rebajar voltaje, diodos rectificadores de la corriente, resistencias limitadoras capaces de disipar potencias de más de 1 watio e incluso diodos Zener.

Estos montajes complican el circuito más de lo que en estos momentos nos gustaría y además nos obligarían a manejar voltajes y amperajes peligrosos, con los que no quisiéramos trabajar en este ejemplo.

Por ello proponemos representar el circuito eléctrico sustituyendo la lámpara de calor por una bombilla de linterna de 4 voltios.

Los valores que se indican en el simulador para la lámpara, voltaje nominal máximo (4 v) y potencia nominal máxima (1 watio), en realidad son los valores a partir de los cuales la lámpara empieza a funcionar normalmente y a lucir con su máxima intensidad. Estos valores o menores producirán un funcionamiento deficiente, haciendo lucir con menor intensidad, o no luciendo. Con valores mayores la lámpara lucirá en toda su intensidad, hasta llegar a valores peligrosos a partir de los cuales la bombilla se podría quemar.

Como la potencia es el producto del voltaje por la intensidad  P = V x I , precisaremos de al menos 250 mA (1w / 4v) de corriente para que la lámpara luzca con toda su intensidad. Pero no deberíamos pasarnos en exceso de estos valores para no ponerla en peligro de quemarla.

Para hacer lucir una lámpara de linterna de 4 voltios y hacer funcionar el resto del circuito con el transistor y los LEDs luminosos, nos basta con una sola pila de 6 v.

Recordar que en el simulador las fuentes de tensión son ideales y si le marcamos un valor de 6 voltios, la batería nos entregará 6 voltios, pero el voltaje que nos va a entregar la pila real conectada a una carga va a ser siempre menor.

Además, en el simulador tenemos que conectar el circuito a Tierra:

En este caso lo conectaremos al polo negativo de la pila.

Como transistor BJT hemos elegido el 2N2222, transistor NPN de uso general que va bien tanto como amplificador como interruptor de baja potencia.

De sus hojas de características técnicas ofrecidas por los fabricantes podemos extraer que

a 25 grados centígrados:

- La potencia máxima que puede disipar son 625 miliwatios. Por eso se trata de un transistor de baja potencia, pues este valor es menor de 1 watio.

- La corriente de colector máxima que puede soportar son 600 mA. Lejos de los 20 mA que el LED verde precisa para lucir en toda su intensidad.

- El voltaje máximo que puede aplicarse entre su Colector y su Emisor (VCEmax) son 30 voltios. Lejos de los 6 v de nuestra pila.

- Su Ganancia mínima (hFE), que es la que tenemos que elegir, para una IC = 10 mA y una VCE = 10 v, tiene un valor de 75.

Además, de las propiedades que el 2N2222 presenta en el simulador, su voltaje «Early» tiene un valor de 10 voltios. 

Este voltaje nos va a dar la pendiente de las curvas de salida del transistor al representarlas mediante las ecuaciones de Ebers y Moll en Geogebra.

En cuanto a los LEDs luminosos de 5 mm, en las hojas de características técnicas de sus fabricantes vemos que a temperatura ambiente, 25ºC:

- La corriente máxima en directa que pueden soportar son 25 mA.

- La potencia máxima que pueden disipar son 60 mW.

- Como la potencia es el producto de la tensión por la corriente (P = V x I), podemos intuir que el voltaje máximo que van a poder consumir son unos 2,4 voltios (0,06 W / 0,025 A). 

- Pero la corriente de funcionamiento típica en directa que van a necesitar para lucir en toda su intensidad son 20 mA.

- Y el voltaje típico que van a consumir cuando lucen en toda su intensidad sin peligro de quemarse y que se corresponde con los 20 mA de corriente típica, son 2 voltios.

En este punto, hay que tener en cuenta que la corriente mínima en directa que debe circular por un diodo LED real para apreciar una luminosidad a penas visible, son unos 25 µA y que el consumo de voltaje mínimo para un funcionamiento que se corresponde con esta corriente mínima son aproximadamente 1,6 voltios.  

Con corrientes tan bajas (menores de 50 - 60 µA) el LED en el simulador NO lucirá, incluso bajando la sensibilidad de éste hasta valores por debajo de la corriente mínima para una iluminación a penas visible (25 µA). Así lo hemos indicado en la ventana de propiedades del dispositivo («On current  Ion = 10 µA); a pesar de hacerlo así, como ya hemos dicho,  el LED en el simulador no lucirá.

Con todos estos datos se propone el siguiente esquema de circuito:

Si el transistor funciona como un interruptor cerrado (en la región de saturación), dejando pasar la corriente, ésta fluirá desde el polo positivo de la pila (sentido convencional) hacia el Colector del transistor, pasando por RC y el LED verde y también hacia la lámpara.

Dividiremos la corriente hacia ambos dispositivos, hacia el transistor y hacia la lámpara.

Por el Colector se precisan 20 mA para hacer lucir el LED verde. Lo conseguiremos mediante una resistencia RC protectora del LED que haga también función de divisor de corriente.

Por la lámpara se precisa de al menos 250 mA para que ésta luzca en toda su intensidad. Así que la corriente en total, hacia el transistor y la lámpara son al menos 270 mA.

En este caso, la corriente hacia el LED rojo debe ser de un valor tan bajo que el diodo no se ilumine de forme visible. Se propone dividir de nuevo la corriente a partir de la resistencia RC para aportar al LED rojo una corriente menor de 25 µA; por ejemplo de unos 7,5 µA. Esto lo conseguiremos añadiendo una resistencia (Rredled) en serie con este LED de un alto valor resistivo.

Una vez sobrepasada la lámpara se propone otro divisor de corriente para que casi la totalidad de la corriente (los al menos 250 mA) fluya hacia tierra (polo negativo de la pila) a través de la resistencia Rlamp de bajo valor resistivo y que una pequeña cantidad de ella se desvíe hacia la Base del transistor a través de RB, de mayor valor resistivo. De esta forma el transistor funcionará en modo interruptor cerrado, haciendo pasar la corriente desde el Colector hacia el Emisor y desde éste hacia tierra.

Si tomamos el camino Pila – RC – LED verde – Colector – Emisor – Tierra, tenemos que:

V – VRC – VLEDgreen – VCE = 0

V son 6 v

A VLED green le daremos un valor de unos 2 v

VCE tendrá un valor cercano a 0 v, ya que el transistor funciona en este momento en la región de saturación.

Así que VRC =  4 v (6v – 2v – 0 v) .

La corriente por RC será de 20 mA + 7,5 µA y como deberá consumir 4 v de la pila, la resistencia RC tendrá un valor de 199,92 Ω (4 v / 0,0200075 A).

Por la rama del LED rojo tenemos que:                 V – VRC – VRredled – VLEDred = 0

V son 6 v

VRC ya hemos determinado previamente que son unos 4 v

VLEDred tendrá un valor menor de 1,6 v para que se generen unos 7,5 µA de corriente y su iluminación no se aprecie a simple vista. Por ejemplo, le daremos un valor de 1,5 voltios.

Así que VRredled = 0,5 v (6v – 4 v – 1,5 v).

Como queremos que circulen unos 7,5 µA por la resistencia Rredled y como ésta va a consumir unos 0,5 voltios de la pila, Rredled tendrá un valor de 66666,66 Ω (0,5 v / 0,0000075 A).

Considerando que la ganancia de corriente (β o hFE) del 2N2222 que debemos elegir  de las hojas de especificaciones técnicas, tiene un valor de 75, la corriente de la Base (IB) será igual a 266,66 µA (0,02 A / 75). Ya que la Ganancia de corriente del transistor (β = 75) es el cociente entre la corriente de Colector (IC = 20 mA) y la corriente de la Base (IB);  β = IC / IB .

Así que la corriente que va a circular por Rlamp será de 249,99 mA (250 mA – 266,66 µA) y como debe consumir unos 2 voltios de la batería (6 v – 4 v), su valor resistivo será de 8 Ω (2 v / 0,24999 A).

Esta resistencia Rlamp debe disipar una potencia de valor el producto del voltaje (2 v) por la intensidad (249,99 mA); esto es, de 0,499 watios. Así que Rlamp tiene que ser de más de medio watio para asegurarnos que no se queme.

Por último:          VRlamp – VRB – VBE = 0       por lo que VRB = 1,3 v (2 v – 0,7 v).

Por la resistencia RB circularán 266,66 µA y como ésta consume 1,3 voltios de la pila, RB tendrá un valor de 4875,12 Ω (1,3 v / 0,00026666 A).

Observar cómo VCE  es casi 0 voltios (166,62 mv, como indica el multímetro XMM1).

Esto se puede ver más fácilmente si consideramos sólo la malla  «Pila – RC – LED verde – Colector – Emisor – Tierra» y sustituimos el transistor por un interruptor cerrado:

Al encontrarse en serie, la resistencia RC y el LED verde consumen casi todo el voltaje de la pila y cuando medimos la tensión entre el Colector y el Emisor, el resultado es de prácticamente 0 voltios.

Si se produce un fallo en el circuito de la lámpara, porque ésta se haya fundido, o por cualquier otra circunstancia, la corriente no circulará ni por la lámpara, ni por la Base, ni por el Colector del transistor. En este caso éste funcionará en la región de corte, en modo  interruptor abierto y la corriente fluirá desde el polo positivo de la pila hacia el LED rojo, pasando por RC y Rredled y desde el LED hacia tierra.

RC + Rredled = 199,94 + 66666,66 = 66866,6

I = V / R = 6 v / 66866,6 = 0,0000897309 A (89,73 µA).

Aunque muy por debajo de los 20 mA para una luminosidad completa, corriente suficiente como para hacer visible la iluminación del LED rojo, ya que está por encima de los 25 µA.

A continuación montaremos el circuito con componentes reales.

Primero lo haremos funcionar con el transistor en la región de saturación, a modo de interruptor cerrado (Transistor en «ON») y después con el transistor en la región de corte, a modo de interruptor abierto (Transistor en «OFF»).

Fijarse en que los valores obtenidos en el circuito de componentes reales difieren de los valores obtenidos en el circuito diseñado en el simulador; son menores.

Esto es debido principalmente a que las pilas reales no son fuentes de tensión ideales y en vez de los 6 voltios determinados inicialmente entregan al circuito menor tensión. 

En vez de utilizar el funcionamiento adecuado, o no, de un circuito como el de la lámpara que hemos usado en el ejemplo anterior, se puede utilizar un interruptor, un relé asociado a otro circuito, un sensor de luz, un sensor de humedad, de temperatura, de presión, etcétera, para hacer que el transistor funcione en modo interruptor.

De esta forma podemos controlar la iluminación o apagado de un diodo LED, como se ha hecho en el ejemplo anterior; pero también la activación o desactivación de otros dispositivos, como por ejemplo de una lámpara de luz, de un relé asociado a otro circuito, o de un motor eléctrico.

Por último, los transistores en modo interruptor también se usan en circuitos digitales en los que una señal de baja o alta intensidad hace que el transistor funcione como un interruptor abierto, no dejando pasar la corriente y generando un «0» lógico, o como un interruptor cerrado, dejando pasar la corriente y generando un «1» lógico.

Este es el caso por ejemplo, del inversor digital o puerta lógica NOT.

Esta es la compuerta lógica más sencilla y lo que hace es invertir la información que le llega al transistor, provocando que una señal de baja intensidad se convierta en un «1», o que una señal de alta intensidad se convierta en un «0».

Veamos un último ejemplo de cómo sería el diseño y funcionamiento de una puerta «NOT» con un transistor 2N2222:

Tomamos una fuente de voltaje de 5 v (VCC).

Para hacer que el transistor funcione en saturación, a modo de interruptor cerrado, o como transistor en «ON», hacemos que VCE sea igual a 0 aproximadamente. 

De esta forma RC deberá consumir los 5 v de VCC y si seguimos considerando una corriente de Colector (IC) de 20 mA como en el ejemplo anterior, su valor resistivo será de 250 Ω (5 v / 0,020 A).

Por otro lado, si la Ganancia de corriente (hFE o β) es de 75 como se indica en las hojas de especificaciones técnicas, la corriente de Base (IB) serán 266,66 µA (0,020 A / 75).

Por último, si consideramos una posible tensión de entrada (Vin) de 5 v, en la malla Vin – RB – Base – Emisor, tenemos que    Vin – VRB – VBE = 0

Así que nos queda que RB debe consumir 4,3 voltios (5 v – 0,7 v), por lo que RB tendrá un valor de 16125 Ω (4,3 v / 0,00026666 A).

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