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L.017 Minimizar

A no ser que nuestros circuitos con osciladores se utilicen solo para maquetas o similares (con cargas de pequeño consumo), en muchas ocasiones va a ser necesario trabajar con cargas que tengan una demanda importante de corriente. Es ahí donde será necesaria la mediación de un driver o interface que nos permita manejar con seguridad dichas corrientes.

Otras lecciones relacionadas con este tema:
- Osciladores: generadores de ondas.
- Jugando con los osciladores (01): señales luminosas.



En el gráfico superior vemos una conexión de 21 LEDs, controlados por un oscilador, con el que deseamos construir un foco luminoso potente.

Lo ideal sería poder conectar todo el circuito de LEDs a la salida del oscilador, como se muestra en la fig.A, pero eso no es posible.
En general, los osciladores suministran corrientes muy pequeñas (unos pocos mA) en sus salidas. Si le conectamos cargas con mayor demanda de corriente de la que pueden soportar... los quemaremos !!!

Entonces, es necesario colocar "algo" a la salida del oscilador que posibilite igualmente el control de la carga pero, a la vez, que permita manejar esas corrientes grandes sin perjudicar las salidas del oscilador. Ese "algo" lo llamaremos: driver, interface o acoplador de potencia (fig.B).

Los drivers también suelen utilizarse para controlar cargas que deben trabajar con diferente tensión de alimentación que la del circuito oscilador y/o con diferentes niveles en las señales de control.



Uno de los drivers más utilizado es el que puede verse en el gráfico superior: un transistor, con su correspondiente R de Base (RB).

En la fig.C, podemos observar el flujo de corrientes del circuito: una corriente muy pequeña que llega a la Base del transistor (iB) y una corriente mucho más grande (IC) que circula desde la alimentación (+Vcc), atraviesa la CARGA, entra al transistor por su Colector y retorna a masa a través del Emisor.

La corriente que entra por el Colector (IC) es prácticamente la misma que sale por el Emisor (IE). Así podemos decir que: IC = IE.

La pequeña corriente de Base (iB) es la que debe suministrar el oscilador.
La corriente de Colector (IC) es la corriente que consume la CARGA y se la proporciona la fuente de alimentación.
De esta forma, gracias al driver, el oscilador con una pequeña corriente de salida puede controlar cargas de gran consumo.

Este transistor NPN debemos hacer que trabaje en sus 2 estados extremos, esto es: en corte (no conduce, o "apagado") y en saturación (conduce al máximo, o "encendido").

Quien propicia que el transistor trabaje así es la corriente de Base (iB) gestionada por la resistencia de Base (RB).

El efecto de que funcione en estos dos estados es como si el transistor fuera un interruptor que se abre (en corte) o se cierra (en saturación) en función de la señal de control (CTL) que se aplica a su Base (fig.D).


En la práctica, debemos elegir correctamente el transistor que permita manejar cómodamente las corrientes que necesita la CARGA. Si la carga utilizada consume 100mA, el transistor debe tener una corriente de Colector (IC) superior a 100mA. Este es un dato que nos proporciona su datasheet.

Además, será necesario tener en cuenta la tensión que se le va aplicar a la carga para su funcionamiento, ya que, el transistor también debe ser capaz de trabajar con ella sin estropearse. Si vamos utilizar una alimentación (+Vcc) de 24V, el transistor debe tener una tensión de Colector/Emisor (VCEO) mayor de 24V. Este dato también nos lo proporciona su datasheet.


La CARGA puede ser cualquier "cosa" que deseemos controlar: un puñado de LEDs (fig.E), un motor, una electroválvula, un relé (fig.F), etc.

 

Te dejo unos circuitos para que puedas jugar y verlos en acción en el simulador online: Simulación online.

 


Arriba, una tabla con los transistores NPN más habituales de consumo que puedes utilizar, con los datos básicos extraídos de sus datasheets.

La hFE es la ganancia de corriente (la Beta) del transistor en continua. Como se puede observar, los transistores darlington (a la derecha, en azul) son los de mayor ganancia en corriente porque llevan en su interior 2 transistores y las hFE de ambos se multiplican.

 

Con lo visto hasta ahora, ya deberíamos tener un poco claro el transistor que deberíamos utilizar para nuestro circuito en particular. Repasamos.

La CARGA es el elemento que va a determinar qué transistor es el adecuado para su control. De hecho, la corriente que consuma la carga es la misma que debe manejar el transistor, será su corriente de Colector (IC) para ese circuito.

Tanto la corriente de la CARGA como la IC del transistor (que es la misma) pueden calcularse y/o medirse.

Para medir prácticamente la corriente que consume la CARGA basta con aplicarle directamente, con una fuente, la tensión +Vcc y masa con la que va a trabajar (no se utiliza el transistor) y medir con un amperímetro la corriente.

Conocida la corriente de la CARGA ya sabemos que IC va a tener que manejar el transistor. Elegiremos un transistor que tenga una IC máxima que esté por encima de la corriente de la CARGA para que este no se queme.

El transistor también debe ser capaz de poder trabajar cómodamente con la tensión +Vcc que necesita la CARGA. Por lo tanto su VCEO debe ser superior a la +Vcc del circuito.

 

Pongamos un ejemplo:

Tenemos una CARGA que va conectada a una alimentación (+Vcc) de 50V y consume una corriente de 0,5A.

Con estos datos será necesario utilizar un transistor cuya VCEO esté por encima de 50V y con una IC máxima superior a 0,5A.

Mirando en la tabla de arriba nos encontramos que los BCxxx que ahí aparecen NO cumplen esos dos requisitos. Tendríamos que elegir alguno de los BDxxx (excepto el BD135, que tiene una VCEO de solo 45V) o un TIPxxx.

 

Al contrario de lo que pasa cuando el transistor trabaja en su región activa (como amplificador), cuando trabaja como interruptor (solo en los estados de corte y saturación) la potencia (P) desarrollada es muy pequeña, por lo cual, no tiende a calentarse.

En estado de corte, la potencia (P) es de 0W:  P = IC * VCE ... como IC = 0A -->  P = 0W.
En estado de saturación, la potencia (P) es muy próxima a 0W: 
P = IC * VCE ... como VCE es casi 0V  --> P será de casi 0W.

Aún así, es conveniente que el transistor tenga una IC máxima bastante holgada (mejor que vaya "sobrado" que "asfixiado" ;-)

Será importante, además, fijarnos en la corriente de Base (iB).
Los transistores que tienen una IC alta necesitan también una corriente de Base (iB) más alta (
para que entren en su estado de saturación) y puede ser que el oscilador no sea capaz de suministrársela .
En este caso deberemos usar 2 transistores en cascada (p.ej. un BCxxx seguido de un BDxxx) o un transistor darlington que, como ya hemos dicho, lleva en su interior 2 transistores y hace el mismo efecto.

 

# CIRCUITOS PRÁCTICOS:

La figura superior muestra una serie de circuitos prácticos utilizados para diversos fines.

 

* El circuito C1, nos muestra un driver que controla una CARGA compuesta por 3 LEDs en serie (con su R limitadora).
Como puede observarse, el oscilador trabaja con una alimentación de +9V (podría ser otra cualquiera) y la CARGA con una alimentación de entre +9V y 24V.
Como su consumo es bajo, podemos utilizar uno de los BCxxx de nuestra tabla. Este transistor va a tener una VCEO de 30V (el más bajo de los tres) y una IC máx de 100mA. Por lo tanto podemos colocar tantos LEDs en serie como permita la +Vcc utilizada, calculando previamente el valor adecuado de la R limitadora para los LEDs.

En cualquier circuito, las alimentaciones del oscilador y del conjunto "driver-CARGA", no importa que sean iguales o diferentes siempre que tengan en común la masa (que estén unidas sus masas).

 

* En el circuito C2 vemos un driver cuya CARGA es un relé.
Como hay muchos tipos de relés necesitaremos saber datos concretos sobre el que vamos a utilizar en el circuito: con qué tensión trabaja (+Vcc) y su corriente de consumo (IR).
La +Vcc de circuito y la V del relé deben ser las mismas (iguales), y la IC del transistor debe ser superior a la corriente del relé
(IR).

En este circuito utilizamos el transistor BC337 o BC338 por su mayor IC (800mA) ya que los relés suelen tener un consumo moderado.

Si medimos con un polímetro, en Ohms, la resistencia (R) de la bobina del relé y sabemos su V de funcionamiento, podemos calcular la corriente que va a consumir dicho relé: I=V/R.

El diodo 1N4007, que aparece en paralelo con la bobina del relé, se utiliza para evitar que los peligrosos picos de tensión que produce el relé al desactivarse puedan dañar al transistor. Conviene utilizarlo siempre con cargas inductivas (bobinas): relés, motores, electroválvulas...

La R de 47K que está unida a la Base del transistor y masa es para evitar falsos disparos del relé cuando el transistor pueda encontrarse fuera del corte o la saturación. Dicha resistencia debe ser alta respecto a la resistencia de Base (RB), habitualmente entre 47K y 100K.

Como sabremos, un relé puede controlar cualquier cosa por medio de sus contactos (dentro de sus posibilidades en cuanto a V e I), independizando por completo el circuito que se conecta a sus contactos del que controla su bobina. Podría decirse, por tanto, que es como otro driver más.


* El circuito C3 nos muestra un driver que tiene como CARGA un motor DC de 12V.
Los motores eléctricos suelen tener un consumo tirando a alto. En consecuencia, necesitaremos un transistor con una IC bastante alta y, por lo ya comentado sobre las corrientes de Base (iB), preferiblemente uno tipo darlington.

En función de la corriente que consuma el motor, ya sabemos que la IC de transistor debe ser siempre superior. Así, según el caso, podríamos utilizar un transistor darlington como los BDxxx de la tabla (BD675/677/679) o un TIPxxx.

 

* En el circuito C4 observamos una CARGA similar a la del circuito C1, pero con 5 ramas de LEDs en serie.
Lógicamente, cuantas más ramas de LEDs utilicemos, la corriente que va a consumir esa CARGA será cada vez mayor. Por lo tanto va a ser necesario utilizar un transistor con una IC max. que maneje holgadamente esas corrientes de la carga.
Si dichas corrientes son bastante elevadas será recomendable utilizar un transistor tipo darlington similar a
los BDxxx de la tabla (BD675/677/679) o los TIPxxx.

En cualquier circuito, si el transistor utilizado tiene una IC max. muy superior a la corriente que va a consumir la CARGA, no va a afectar negativamente a su funcionamiento. Siempre que la señal de control (oscilador) proporcione una corriente a la Base del transistor que le permita entrar en corte o en saturación sin problemas, todo lo demás serán ventajas ya que le permitirá trabajar mucho más holgado y aumentar su "tiempo de vida".

 

 

 # Qué pasa con la R de Base (RB)?

Dejamos este capítulo para el final porque es la parte un poco más enrevesada del asunto, pero intentaré simplificar las cosas para hacela más comprensible.

Como ya se ha dicho: el transistor debe trabajar en alguno de sus dos estados extremos, "corte" o "saturación", y quien controla que pase a esos estados es la corriente aplicada en su Base (iB).

- Para el estado de corte (apagado) es necesario que la corriente de Base sea muy baja o nula (0mA es perfecta).

- Para el estado de saturación (encendido), la corriente de Base debe ser más alta y va a estar relacionada con la corriente de Colector (IC).

¿De dónde sale esa corriente de Base?
Esa corriente tiene que proporcionársela el oscilador y estará regulada por la resistencia de Base (RB).

Una resistencia siempre es un freno para la corriente, así, un valor bajo de R (en Ohms) dejará pasar más corriente que un valor alto de R.
En consecuencia, si deseamos aumentar la corriente, debemos bajar el valor en Ohms de la R y viceversa.

En la mayoría de los casos la R de Base va a tener un valor relativamente bajo: entre 470 Ohm y 15K Ohm.

 

Conseguir el estado de corte del transistor no suele ser problemático. Con eliminar toda la corriente de la Base (que es lo que pasa cuando el oscilador saca un nivel BAJO en su salida, un "cero") ya es suficiente. En este caso, el valor de RB es indiferente.

Problemático puede ser alcanzar el estado de saturación porque debemos conseguir que el transistor conduzca al máximo y, para conseguirlo, va a necesitar una determinada corriente en su Base (iB). Si esta es insuficiente se quedará en un estado intermedio (activo) y no se comportará plenamente como un interruptor. Por lo tanto, un valor correcto para la RB es fundamental.

 

En la imagen superior podemos ver dos drivers formados por un transistor BJT (izquierda) y un transistor darlington (derecha).

En ambos casos el oscilador está alimentado con +9V, por lo tanto, su salida ALTA (cuando saque un "uno") va tener un valor muy próximo a esos +9V y será el voltaje de entrada (VI) a la R de Base del transistor.
Para asegurarnos de que ese nivel ALTO tiene un determinado valor, lo mejor es medirlo prácticamente con un osciloscopio o un polímetro.

Poner en saturación el transistor significa superar la barrera de conducción del diodo interno (en verde) que lleva entre Base y Emisor. Dicha barrera de conducción es, como mínimo, de 0,7V y esa será su VBE. En el caso del darlington será de 0,7V+0,7V (porque lleva 2 transistores y, por tanto, 2 diodos en serie), o sea: 1,4V.

 

Si se ha entendido lo dicho hasta aquí ya tenemos hecho lo más difícil :-) ... ahora solo queda meter datos y calcular.

La IC es la misma corriente que consume la CARGA y esta se puede calcular. No obstante, creo que es más fácil medirla prácticamente (como se ha comentado con anterioridad), además, así será más real su valor.

Debemos ir a las tablas de arriba (o al datasheet del transistor elegido) para ver cual es su ganancia mínima en corriente, es decir, conocer su hFE min.

Teniendo la IC y la hFE, por medio de la fórmula: iB = IC / hFE  sabremos la corriente que necesita en su Base ( iB) para saturarse.

Así, aplicando ahora la fórmula: RB = VI - VBE / iB  ya conoceremos, por fin, el valor en Ohms de la resistencia de Base (RB).


Para variar, vamos con un ejemplo:

Tenemos una CARGA que va conectada a una alimentación (+Vcc) de 50V y consume una corriente de 0,5A.

Tenemos un oscilador alimentado con +9V.

Hemos elegido, p.ej., un transistor darlington BD679 con las características: VCEO = 80V, IC = 4A, hFE = 750.


Sabemos que la corriente que consume la CARGA es la misma que la IC. Así: IC = 0,5A

Sabemos que la V de salida del oscilador en estado ALTO es de 9V. Por lo tanto: VI = 9V.

Sabemos que la VBE del transistor (ojo, que es un darlington!) es: VBE=1,4V

Aplicando fórmulas: 

# iB = IC / hFE  --->  iB = 0,5A / 750 = 0,0007A.  La corriente de Base es:  iB = 0,0007A.

# RB = VI - VBE / iB  ---->  RB =  9V - 1,4V / 0,0007A = 7,6V / 0,0007A ---> RB = 10.857 Ohm.

El resultado teórico es una R de Base de 10.857 Ohm. Usaríamos un valor comercial de 10K Ohm (con una potencia de 1/4 de vatio).

 

Hay que advertir que la hFE de un transistor no es un valor fijo e invariable.
El transistor en funcionamiento sufre, entre otras, variaciones constantes de V, de I o de temperatura y esto hace fluctuar el valor de su hFE.
Como los cálculos para averiguar la iB (necesaria para conocer el valor de la RB) pasan por utilizar la hFE ... y esta es variable! ... puede darse el caso de que el transistor, en la práctica, no entre en saturación con la RB calculada.

Para garantizar casi al 100% de que el transistor va a entrar en saturación, algunos recomiendan colocar una RB de un valor 5 veces inferior al calculado. Es decir: RB PRÁCTICA = RB CALCULADA / 5.




# Comprobaciones.

La figura superior nos muestra las mediciones que podemos hacer en nuestro circuito para asegurarnos de que, en la práctica, el transistor entra perfectamente en sus estados de corte y saturación.

Para efectuar las mediciones podemos utilizar el propio oscilador, funcionando a una frecuencia muy baja (para poder ver cómodamente las medidas), o substituirlo por un conmutador (como se ve en la fig.) que proporcione las mismas tensiones que el oscilador en sus niveles ALTO y BAJO.

Con el circuito en funcionamiento, la medida principal es la de la V ente Colector y Emisor: VCE.

En corte, esta VCE debe estar muy próxima a la +Vcc que alimenta el circuito.
En saturación, la VCE debe ser de 0V o muy próxima a eso.

Si estas mediciones tienen una diferencia de más de unos cuantos mV respecto a las comentadas, debemos sospechar que el transistor no está llegando bien al corte y/o a la saturación.

Si no entra en saturación (que sería lo más probable), deberemos bajar el valor de RB para incrementar la corriente de Base (iB).

 

Como los transistores, aún teniendo la misma referencia, no son exactamente iguales entre sí... y, además, como los datos del datasheet tampoco parecen ser verdades absolutas, conviene hacer este tipo de comprobaciones a nuestros circuitos para tener la certeza de que funcionan correctamente.

Si a esto le sumamos que también podemos meter la pata en los cálculos realizados, más a nuestro favor para realizar estos chequeos ;-)

 

# Nota final:

Aunque esta lección trata de drivers de potencia cuyo controlador es un simple oscilador, todo lo visto es de aplicación para cualquier otro tipo de controlador (p.ej. ARDUINO).

Lo único que puede cambiar es la V de salida que proporcione el controlador en su nivel ALTO y/o BAJO y la máxima corriente que puede manejar en sus salidas. Teniendo en cuenta esos 2 valores y aplicándolos correctamente a lo ya visto, estos drivers harán su función perfectamente.

 

Aquí tienes otro circuito para experimentar con él: Simulación online.

 


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