Semiconductores¶
por David Toro
Estos dispositivos electrónicos permiten controlar y regular una señal de potencia (corriente alta) mediante una señal de control (corriente baja). Ademas puede utilizarse como un interruptor muy muy rápido que es comandado por una señal eléctrica o como un amplificador de corriente. Existen diferentes tipos de transistores:
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Bipolares (BJT). Transistores hay PNP y NPN.
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Transistores de Efecto de Campo, MOSFET.
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Transistores Unijuntura (UJT).
El transistor puede estar en tres estados:
ESTADO 1¶
Corte: No tienen corriente en su base 𝐼_𝐵=0. Se asemeja a un interruptor abierto.
ESTADO 2¶
Región Activa: Zona de amplificación de corriente, necesitan un poco corriente para estar en este estado. Zona análoga.
ESTADO 3¶
Saturación: Se le pone una corriente elevada en la base, permitiendo el máximo paso de corriente. Se asemeja a un interruptor cerrado.
ENCAPSULADO¶
DATASHEET¶
Es importante buscar la referencia de los semi-conductores para poder controlar un sistema en especial.
En la figura 5 se puede observar datos relevantes señalados como el voltaje de consumo de emisor-colector y base-colector, la corriente de ganancia (factor de amplificación del semi-conductor), para poder hacer los calculos requeridos del sistema.
DISEÑO DE SEMI-CONDUCTORES COMO SUICHE¶
El circuito básico para manejar un semi-conductor como suiche como se muestra a continuación:
Algunas consideraciones para usar este semi-conductor como switch:
$$ 𝑰_𝑪≈𝑰_𝑬 $$
$$ 𝑉_(𝐵𝐸(𝑠𝑎𝑡))=0.8𝑉 $$ (Se elige este valor para el Voltaje entre base y emisor cuando el semi-conductor se encuentra saturado).
$$ 𝑉_(𝐶𝐸(𝑠𝑎𝑡))=0.2𝑉 $$ (Se elige este valor para el Voltaje entre colector y emisor cuando el semi-conductor se encuentra en región activa).
$$ 𝛽=𝐼_𝐶(𝑎𝑐𝑡)/𝐼_𝐵(𝑎𝑐𝑡) $$ (β es el factor de amplificación del semi-conductor, típicamente es 100). Esta formula solo aplica para el semi-conductor en región activa).
$$ 𝑰_𝑩(𝒎𝒊𝒏)=𝑰_(𝑪(𝒔𝒂𝒕))/𝜷 $$ (La corriente de base mínima para que el semi-conductor trabaje es la corriente del colector en saturación sobre el beta)
La forma para calcular $$ 𝑅_𝐵 $$ es:
Suponiendo LOAD como una carga resistiva:
$$ 𝐿𝑂𝐴𝐷=𝑅_𝐿𝑂𝐴𝐷 $$
$$ 𝑉_𝐿𝑂𝐴𝐷=𝑉_𝑐𝑐−𝑉_(𝐶𝐸(𝑠𝑎𝑡)) $$
Por ley de ohm y sabiendo que $$𝐼_(𝐶(𝑠𝑎𝑡))=𝐼_𝐿𝑂𝐴𝐷$$:
$$ 𝐼_(𝐶(𝑠𝑎𝑡))=𝑉_𝐿𝑂𝐴𝐷/𝑅_𝐿𝑂𝐴𝐷=(𝑉_𝑐𝑐−𝑉_(𝐶𝐸(𝑠𝑎𝑡)))/𝑅_𝐿𝑂𝐴𝐷 $$
Por el 𝛽 del transistor se puede calcular la corriente de base mínima:
$$ 𝐼_𝐵(𝑚𝑖𝑛)=𝐼_(𝐶(𝑠𝑎𝑡))/𝛽 $$
- $$ 𝐼_𝐵(𝑚𝑖𝑛)=(𝑉_𝑐𝑐−𝑉_(𝐶𝐸(𝑠𝑎𝑡)))/(𝑅_𝐿𝑂𝐴𝐷*𝛽) $$
$$ 𝑉_(𝑅_𝐵)=𝑉_𝑖𝑛−𝑉_(𝐵𝐸(𝑠𝑎𝑡)) $$
Por ley de ohm:
$$ 𝐼_(𝐵(𝑠𝑎𝑡))=𝑉_(𝑅_𝐵)/𝑅_𝐵 $$
-
$$ 𝐼_𝐵(𝑠𝑎𝑡)=(𝑉_𝑖𝑛−𝑉_(𝐵𝐸(𝑠𝑎𝑡)))/𝑅_𝐵 $$
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$$ 𝐼_𝐵(𝑚𝑖𝑛)≪𝐼_(𝐵(𝑠𝑎𝑡)) $$
Ahora se reemplaza (2) y (3) en la ecuación (1):
$$ (𝑉_𝑐𝑐−𝑉_(𝐶𝐸(𝑠𝑎𝑡)))/(𝑅_𝐿𝑂𝐴𝐷*𝛽)≪(𝑉_𝑖𝑛−𝑉_(𝐵𝐸(𝑠𝑎𝑡)))/𝑅_𝐵 $$
Despejando $$ 𝑅_𝐵 $$:
- $$ 𝑅_𝐵≪(𝑅_𝐿𝑂𝐴𝐷*𝛽(𝑉_𝑖𝑛−𝑉_(𝐵𝐸(𝑠𝑎𝑡))))/(𝑉_𝑐𝑐−𝑉_(𝐶𝐸(𝑠𝑎𝑡))) $$
EJEMPLO¶
Se desea manejar un LED de alta potencia cuya corriente máxima es de 350 𝑚𝐴. Se desea prender y apagar este LED utilizando un Arduino cuyas salidas digitales son 0V ó 5V. Diseñe un circuito con transistores como switch (Nota: Utilice un transistor estándar con $$𝛽=100$$, $$𝑉_(𝐵𝐸(𝑠𝑎𝑡))=0.8𝑉$$, $$𝑉_(𝐶𝐸(𝑎𝑐𝑡))=0.2𝑉)$$. Además solo se cuenta con una batería de 12V DC para prender este LED debido a que se requiere que el producto sea portable (El Arduino también esta conectado a la misma batería).
Como se conoce la corriente que debe pasar por el colector en saturación, solo se debe convertir esta corriente desde el colector a la corriente de base mínima por medio del Beta:
$$ 𝐼_𝐵(𝑚𝑖𝑛)=𝐼_(𝐶(𝑠𝑎𝑡))/𝛽=(350𝑚𝐴)/100 $$
- $$ 𝐼_𝐵(𝑚𝑖𝑛)=0.0035𝐴 $$
$$𝑉_(𝑅_𝐵)=𝑉_𝑖𝑛−𝑉_(𝐵𝐸(𝑠𝑎𝑡))$$
$$𝑉_(𝑅_𝐵)=5𝑉−0.8𝑉=4.2𝑉$$
Por ley de ohm:
$$𝐼_(𝐵(𝑠𝑎𝑡))=𝑉_(𝑅_𝐵)/𝑅_𝐵=(4.2𝑉)/𝑅_𝐵$$
- $$(𝐼_𝐵(𝑠𝑎𝑡)=(4.2𝑉)/𝑅_𝐵)$$
Ahora reemplazar (2) y (3) en (1)
$$𝐼_𝐵(𝑚𝑖𝑛)≪𝐼_𝐵(𝑠𝑎𝑡)$$
$$0.0035 𝐴≪(𝑉_𝑖𝑛−𝑉_𝐵𝐸(𝑠𝑎𝑡))/𝑅_𝐵$$
$$0.0035𝐴≪(4.2𝑉)/𝑅_𝐵$$
Despejando $$𝑅_𝐵$$:
$$𝑅_𝐵≪(4.2𝑉)/(0.0035𝐴)$$
- $$ (𝑅_𝐵≪1200Ω) $$
ARDUINO puede manejar por pin una corriente máxima de 40 𝑚𝐴. Se debe calcular la resistencia mínima que se podría usar con el ARDUINO:
$$𝐼_𝑝𝑖𝑛𝐴𝑟𝑑=𝐼_(𝐵(𝑠𝑎𝑡))<40 𝑚𝐴$$
Reemplazando (3):
$$(4,2 𝑉)/𝑅_𝐵 <40 𝑚𝐴$$
Despejando $$𝑅_𝐵$$:
$$𝑅_𝐵>(4.2 𝑉)/(40 𝑚𝐴)$$
$$(𝑅_𝐵>105 Ω)$$
Por el calculo anterior (4), el rango de $$𝑅_𝐵$$ es:
$$ (105Ω<𝑅_𝐵≪1200Ω) $$
Para que sea una resistencia comercial puede usarse:
$$ 𝑅_𝐵=330Ω $$
RELE¶
Es un interruptor comandado por un electroimán. Permiten manejar dispositivos digitales (ON-OFF) de mas potencia tales como:
- Bombillas de 110 VAC.
- Motores de potencia.
- Resistencias eléctricas de 110VAC para calentadores o estufas.
Se pueden adquirir diferentes tipos de bobinas con diferentes voltajes, entre ellos las mas comunes son: 5 VDC, 12 VDC, 24 VDC, 110 VAC y 220 VAC.
Nota Importante: No es aconsejable conectar directamente a un microcontrolador un relé. Para ello se aconseja poner un semiconductor que maneje en su colector al relé.
Se le agrega un diodo en paralelo a la bobina (debido a que estas almacenan corriente y después de almacenar mucha pueden liberarla y dañar otros dispositivos, el diodo previene esto garantizando que esta corriente se descargue por si misma). El diodo mas comúnmente usado para estos es el 1N4007.
NOTA: Este diodo también se le debe poner a los motores puesto que también tienen una bobina internamente.
La carga y el voltaje de la carga son “suicheados” a través del electroimán, logrando encender o apagar la potencia.
Ejemplo de circuito para controlar utilizando un relé con un microcontrolador (como un ARDUINO):
- Cargas como motores de alta potencia usando AC.
- Bombillas de 110 VAC.
- Resistencias eléctricas para calentadores o estufas 110 VAC.
