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PRÁCTICA 12: EL TRANSISTOR EN CONMUTACIÓN: APLICACIÓN Diego J. Cando Resumen — El presente trabajo, hace referencia a un informe de práctica de laboratorio de electrónica analógica, en la cual lleva por nombre” El transistor en conmutación” como primer punto se comprobó el giro de un motor en DC mediante un puente en h construido con 4 transistores npn 2n3904 para esto se realizó cálculos previos y su respectiva simulación en el programa(Proteus) ,como segundo punto ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………….

Palabras Claves — amp-op, oscilador.

I.

INTRODUCCIÓN

El mundo se encuentra en una vertiginosa revolución tecnológica, puesto que cada día se avanza en el diseño de nuevos dispositivos electrónicos para diferentes campos de aplicación como las telecomunicaciones, entre estos dispositivos se encuentran los transistores BJT los mismos que en la vida cotidiana se utilizan como amplificadores, osciladores o conmutadores. En esta presente práctica pondremos a prueba las principales características básicas de un transistor cuando este actúa como un conmutador. II.

III. Clase

MATERIALES

TABLA I LISTADO DE LOS MATERIALES Número - Características

Proveedor

Fuente variable

1 – DC

Laboratorio

Generador de funciones Osciloscopio

…….Depende de si se ocupa 1 – Analógico

Laboratorio

Protoboard

1

Estudiantes

Laboratorio

Multímetro

1 – Proskit MT1710

Estudiantes

Resistencias

De acuerdo a lo calculado

Estudiantes

Cables de conexión

Varios

Laboratorio/Estudiantes

Transistores

4 -2N3904

Estudiantes

Datasheet

2N3904

Estudiantes

1 4-1N4007 2 2

Estudiantes Estudiantes Estudiantes Estudiantes

Motor DC Diodo Pulsantes Diodos Led Demás materiales que sirva para la aplicación 2

Transistor 2N3904

OBJETIVOS

1.1 Objetivos Generales  

Comprobar y reforzar en el laboratorio los conocimientos teóricos adquiridos en el aula. Definir el concepto y utilidad de un transistor en función de un conmutador.

2.1 Objetivos Específicos   

Fig. 1. Transistor 2N3904.

Analizar y comprobar el funcionamiento del transistor como interruptor. Diseñar, calcular e implementar un sistema de control de giro para un motor de corriente continua. Diseñar, calcular e implementar un convertidor de corriente continua a corriente alterna.

Esta práctica fue realizada en el laboratorio de electricidad del campus central de la Universidad de Cuenca ubicada en Av. 12 de abril y Av. Loja (CuencaEcuador) D. J. Cando (E-mail: [email protected]). J. A. Paute. (E-mail: [email protected]).

TABLA II CARACTERÍSTICAS DEL TRANSISTOR 2N3904 2N3904 Voltaje colector-base corte 40 V Voltaje colector-Base 60V Max. Voltaje colector-emisor 40V Max. Voltaje emisor-base 6V Max. Corriente de colector (Ic) 200mA Max. Potencia total disipada 625mW (Pd) Max. Ganancia o hfe 100 -300 (hfe) Encapsulado TO-92 Estructura NPN Temperatura de operación Hasta 150C

transistor se encuentra en saturación circula también corriente por sus tres terminales, pero ya no se cumple la relación: [2]: IV. 1.

MARCO TEÓRICO 𝐼𝐶 = 𝛽𝐼𝐵

Transistor

Fig. 3. Regiones de funcionamiento de los transistores BJT.

2. Fig. 2. Tipos de transistores.

El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas que consta de dos capas de material tipo n y una de material tipo p o de dos capas de material tipo p y una de material tipo n. El primero se llama transistor NPN y el segundo transistor PNP [1]. 1.1. Regiones de funcionamiento. • Corte: Cuando el transistor se encuentra en corte no circula corriente por sus terminales. Concretamente, y a efectos de cálculo, decimos que el transistor se encuentra en corte cuando se cumple la condición: IE = 0 ó IE < 0 (Esta última condición indica que la corriente por el emisor lleva sentido contrario al que llevaría en funcionamiento normal). Para polarizar el transistor en corte basta con no polarizar en directa la unión base-emisor del mismo, es decir, basta con que: 𝑉𝐵𝐸 = 0

El transistor como conmutador

Cuando un transistor trabaja en la zona de corte o en la de saturación se dice que el transistor trabaja en conmutación es así que el mismo posee diferentes aplicaciones como por ejemplo: 2.1. Puente en H El puente en H es una configuración que sirve para el control de un motor DC más específicamente sirve para controlar el sentido de giro del mismo, dicha configuración lleva este nombre, por la letra “H” que forman el arreglo de los transistores en el circuito, Un puente en H tiene diferentes tipos o formas de realizarlo y una tipo es el puente en H formado de transistores NPN que a diferencia de los relés los transistores tienen un tiempo de reacción mucho mejor por no tener partes mecánicas que hagan contacto al aplicarles una corriente eléctrica, su funcionamiento es sencillo, simplemente activamos la base de los transistores y estos dejan pasa la corriente, si aplicamos tensión en el Q1 y Q4 el motor dará el giro hacia la izquierda, por el contrario al aplicar tensión en Q2 y Q3 el motor dará el giro hacia la derecha [3].

• Activa: La región activa es la normal de funcionamiento del transistor. Existen corrientes en todos sus terminales y se cumple que la unión base-emisor se encuentra polarizada en directa y la colector-base en inversa. En general, y a efectos de cálculo, se considera que se verifica lo siguiente: 𝑉𝐵𝐸 = 0.7 𝐼𝐶 = 𝛽𝐼𝐵 • Saturación: En la región de saturación se verifica que tanto la unión base-emisor como la base-colector se encuentran en directa. Se dejan de cumplir las relaciones de activa, y se verifica sólo lo siguiente:

Fig.4. Puente en H mediante transistores npn.

Marco teórico de la segunda aplicación……………………………………………………………

𝑉𝐵𝐸 = 𝑉𝐵𝐸𝑆𝐴𝑇 𝑉𝐶𝐸 = 𝑉𝐶𝐸𝑆𝐴𝑇 Donde las tensiones base-emisor y colector-emisor de saturación suelen tener valores determinados (0,8 y 0,2 voltios habitualmente). Es de señalar especialmente que cuando el

V. DESARROLLO APLICACIÓN 1:

1. Se requiere diseñar, calcular e implementar un sistema de control de giro para un motor de corriente

continua. El sistema debe incluir un pulsante para el giro hacia la derecha, un pulsante para el giro hacia la izquierda, un led indicador para cada sentido de giro. El funcionamiento inicial del motor puede ser en cualquier sentido, además el sistema de control, debe incluir elementos de protección debido a la energía acumulada en la bobina del motor.

Fig.7. Puente en H Con S1 Cerrado y S2 abierto.

Malla de entrada 𝑉𝐶𝐶 = 𝑅𝐵 𝐼𝐵 + 𝑉𝐵𝐸 Dado 𝑉𝑐𝑐 = 5𝑣 y tanto 𝑅1 = 𝑅2 = 𝑅3 = 𝑅4 = 2 [𝐾𝛺] se tiene: Fig.5. Elementos de mando para el control de giro del motor.

𝐼𝐵1 =

TABLA II MEDICIÓN 𝑯𝑭𝑬 , TRANSISTOR 2N3904 Transistor 𝐻𝐹𝐸 (𝐵𝑒𝑡𝑎) Q1 218

𝐼𝐵1 =

𝑉𝐶𝐶 − 𝑉𝐵𝐸 𝑅𝐵

5 − 0.7 = 2.15[𝑚𝐴] 2 [𝐾𝛺]

Pero como 𝐼𝐵1 = 𝐼𝐵4 entonces Para comprende los cálculos diseñado:

se necesita del diagrama 𝐼𝐵4 =

5 − 0.7 = 2.15[𝑚𝐴] 2 [𝐾𝛺]

Como se sabe 𝐼𝐸 = 𝐼𝐶 e 𝐼𝐶 = 𝛽𝐼𝐵 por lo que 𝐼𝐶 = 218 ∗ 2.15 = 0.4[𝐴] Que será la corriente necesaria para encender el motor. Viendo el sentido de corriente que pasa por el motor y conociendo que la caída de voltaje esta en sentido opuesto entonces el motor girara hacia la izquierda. Malla de Salida. Fig.6. Puente en H mediante transistores npn realizado en (Proteus).

Giro hacia la izquierda.

𝑉𝐶𝐶 = 𝑅𝐶 𝐼𝐶 + 𝑉𝐶𝐸 Al no existir 𝑅𝐶 se tiene que

En el circuito de la figura 6 cuando 𝑆1 se cierra el diodo Led 𝐷1 se polariza encendiéndola así mismo la corriente pasa atravez de las resistencias R1 y R3, sin embargo 𝑆2 permanece abierto por lo que: 𝑄1 = 𝑆𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑄4 = 𝑆𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑄3 = 𝐶𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑄2 = 𝐶𝑜𝑟𝑡𝑒 Es decir los transistores que se conmutan son 𝑄1 𝑦 𝑄4

𝑉𝐶𝐶 = 𝑉𝐶𝐸 𝑉𝐶𝐸 = 5[𝑣] Giro a la derecha. En el circuito de la figura 6 cuando 𝑆2 se cierra el diodo Led 𝐷2 se polariza encendiéndola así mismo la corriente pasa atreves de las resistencias R4 y R2, sin embargo 𝑆1 permanece abierto por lo que: 𝑄3 = 𝑆𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛

𝑄2 = 𝑆𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑄1 = 𝐶𝑜𝑟𝑡𝑒 𝑄4 = 𝐶𝑜𝑟𝑡𝑒 Es decir los transistores que se conmutan son 𝑄3 𝑦 𝑄2. Los cálculos a realizarse son los mismo con una diferencia la intensidad que pasa atreves de motor esta en sentido contrario por lo que el motor gira hacia la derecha. 2.

Presentación de resultados

Con S1 cerrado y S2 abierto se tiene: Fig.10. Puente en H Con S2 Cerrado y S1 abierto armado y funcionado. APLICACIÓN 2: Descripción: Se requiere diseñar, calcular e implementar un convertidor de corriente continua a corriente alterna, o inversor (DC-AC inverter). Se debe utilizar una fuente de alimentación en CC de 12V, un inversor transistorizado (puente H), un trasformador elevador de CA para obtener un voltaje de salida de 120V rms. El control de disparo de los transistores que conforman el puente H puede ser implementado con cualquier circuito oscilador, compuertas lógicas, etc.

Fig.8. Puente en H Con S1 Cerrado y S2 abierto Simulacion(Proteus).

En la figura 8 se nota un voltaje positivo en el motor por lo que el sentido del giro es hacia la izquierda o en sentido anti horario, además se nota que el diodo D2 se polariza encendiéndolo. Con S2 cerrado y S1 abierto se tiene:

Fig.10. Inversor (DC-AC inverter).Simulación (Multisim).

Fig.9. Puente en H Con S1 Cerrado y S2 abierto Simulacion(Proteus).

En la figura 10 se nota un voltaje negativo por lo que el sentido del giro es hacia la derecha o en sentido horario, además se nota que el diodo D2 se polariza encendiéndolo.

Fig.11. Inversor (DC-AC inverter) armado en protoboard.

Dado una frecuencia de 60[Hz] y como 𝑇=

1 𝑓

1 60[𝐻𝑧] 𝑇 = 16.66𝑚𝑠 𝑇=

Al utiliza el ne 555 como astable se tiene que; 𝑇𝑠 = 0.693 ∗ (𝑅1 + 𝑅2) ∗ 𝐶1 (1) 𝑇𝑏 = 0.693 ∗ 𝑅2 ∗ 𝐶1 (2) Ahora bien: 𝑇 = 𝑇𝑠 + 𝑇𝑏 Donde: 𝑇𝑠 = (𝑡𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑠𝑢𝑏𝑖𝑑𝑎) 𝑇𝑏 = (𝑇𝑖𝑒𝑚𝑝𝑜 𝑑𝑒 𝑏𝑎𝑗𝑎𝑑𝑎) Y como queremos una señal aproximada a una señal alterna entonces: 𝑇𝑠 = 𝑇𝑏

Fig.13. Señal a la salida del transformador obtenido en la práctica. Canal 1: X=5 [ms] Y=5 [V]. Atenuado 10 veces.

Lo que implica que: 𝑇𝑠 = 𝑇𝑏 =

𝑇 16.66𝑚𝑠 = = 8.33𝑚𝑠 2 2

Reemplazando en (2) con un condesador de 1uf: 𝑇𝑏 = 0.693 ∗ 𝑅2 ∗ 𝐶1 𝑅1 = 𝑅1 =

𝑇𝑠 0.693 ∗ 𝐶1

8.33𝑚𝑠 = 12[𝐾Ω] ≈ 10[𝐾Ω] 0.693 ∗ 1𝑢𝑓

Los calculos realizados para el puente en h son los mismos que los realizados en la aplicación 1. 2.- Presentacion de resultados Voltaje medido sin el transformador fue de 10.98vrms. Voltaje medido con el transformador fue de 41.95vrms. Voltaje medido con el transformador fue de 115.95p-p.

Fig.12. Señal a la salida del transformador Simulado en multisim. Canal A: X=10 [ms] Y=50 [V].

Fig.14. Señal a la salida del transformador obtenido en la práctica. Canal 1: X=5 [ms] Y=5 [V]. Atenuado 10 veces.

VI. CONCLUSIONES -Si un transistor trabaja en la zona de corte o en la de saturación el mismo trabaja en conmutación es así que posee diferentes aplicaciones como por ejemplo un puente en h o un inversor (DC-AC inverter).La constante beta es diferente en cada transistor y para conocer su valor exacto se debe utilizar el multímetro en función hfe. -El Puente en h se realiza con transistores trabajando en conmutación y sirve para el control de un motor DC. Cuando 𝑆1 se cierra el diodo Led 𝐷1 se polariza encendiéndola, así mismo la corriente pasa atravez de las resistencias R1 y R3, sin embargo 𝑆2 permanece abierto por lo que: 𝑄1 = 𝑆𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 , 𝑄4 = 𝑆𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 ,𝑄3 = 𝐶𝑜𝑟𝑡𝑒 ,𝑄2 = 𝐶𝑜𝑟𝑡𝑒 es decir los transistores que se conmutan son 𝑄1 𝑦 𝑄4 lo que hace que el motor gire a la izquierda. Cuando 𝑆2 se cierra el diodo Led 𝐷2 se polariza encendiéndola, así mismo la corriente pasa atravez de las resistencias R4 y R2, sin embargo 𝑆1 permanece abierto por lo que: 𝑄2 = 𝑆𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 , 𝑄3 = 𝑆𝑎𝑡𝑢𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 ,𝑄1 = 𝐶𝑜𝑟𝑡𝑒 ,𝑄4 = 𝐶𝑜𝑟𝑡𝑒 es decir los transistores que se

conmutan son 𝑄2 𝑦 𝑄3 lo que hace que el motor gire a la derecha. -En un puente en h si es que se pulsan tanto 𝑆1 como 𝑆2 el giro del motor es inexistente por lo que se debe conmutar un pulsante a la vez, además el voltaje colector-emisor será el mismo que el de la fuente pues no existe resistencia de colector y finalmente la intensidad que pase por el motor dependerá del beta de los transistores a utilizarse. -Para realizar un inversor (DC-AC inverter) se utiliza el mismo esquema de un puente en h sin embargo en vez de los pulsantes se coloca un temporizador ne555 y en vez del motor se colocara un transformador que se conectara al secundario del mismo. -El ne555 nos generara una onda cuadrática y la duración del tiempo de subida dependerá de los condensadores y resistencias que son colocados, además es necesario la colocación de una compuerta not, finalmente el transformado nos ayudara a aumentar el voltaje sin embargo la intensidad que posee el mismo será baja. VII.

RECOMENDACIONES

-Se recomienda no manipular los circuitos cuando estén energizados ya que los elementos del circuito corren el riesgo de quemarse o más aun corre el riego la persona que se encuentra manipulando el circuito de sufrir alguna lesión. -Obtener potenciómetros, pues los valores de las resistencias calculadas muchas veces no son comerciales. -Obtener varios condensadores menores a 1uf pues si el valor calculado en la práctica no es comercial siempre existe la posibilidad de conseguir el valor deseado poniéndolos en configuración serio o paralelo. -Obtener una compuerta not que soporte igual o más de 12 voltios. -Es más fácil generar una onda cuadrada con un temporizador ne555

VIII.

ANEXOS

Anexo #1

Fig. 24. Puente en H.

REFERENCIAS [1] Robert Boylestad, and Louis Nashelsky. Electrónica: Teoría de Circuitos Y Dispositivos Electrónicos. México: Pearson Educación, 2009. [2] Tecnologia Electronica,El transistor bipolar. Recuperado el 14 de abril de 2017, de: http://mdgomez.webs.uvigo.es/DEI/Guias/tema5.pdf [3] Proyectos electronicos para la imaginacion ,Punente en H con transistres NPN. Recuperado el 14 de abril de 2017,http://fuhrer-luftwaffe.blogspot.com/2009/04/puente-hcon-transistores-npn.html

BIOGRAFÍA Diego J. Cando, nació en la ciudad de Cuenca-Ecuador Graduado en la escuela Carlos Crespi posteriormente curso sus estudios en el colegio Técnico Salesiano de donde se graduó como bachiller Técnico industrial especialización Mecatrónica. Estudiante de Ingeniería en Sistemas en la Universidad de Cuenca desde el 2014 cambiándose a Ingeniería Eléctrica en el año 2016.