Download File

Práctica Cero
Laboratorio de Automatismos Lógicos
“Diodos, transistores y divisores de voltaje: un ejemplo de aplicación en
Laboratorio”
Profesor Guillermo Sandoval Benítez
Introducción.
Para realizar una adecuada aplicación a los diferentes conceptos teóricos, es indispensable
emplear un conjunto de recursos electrónicos para, entre otras cosas, ejecutar de manera
adecuada las respectivas tareas, tales como el rectificar, disparar o atenuar una señal
eléctrica; proteger circuitos integrados o suministrar potencia a alguna carga. Entre esos
dispositivos o arreglos, se encuentran los diodos y transistores, así como los divisores de
voltaje. A continuación se hará una breve descripción de todos estos y al final se mostrará
un ejemplo de aplicación para energizar una bobina de una válvula electro-neumática.
Diodo.
Es empleado en forma continua como rectificador. Tiene dos terminales denominadas
ánodo (p) y cátodo(n), positiva y negativa, respectivamente. Se pueden polarizar de manera
directa, esto es, en modo de conducción, y esto se logra cunado el voltaje entre sus
terminales correspondientes son mayores o iguales a cero. En caso contrario, se dice que el
diodo se encuentra en corte, o polarización inversa. Idealmente, cuando se encuentra en
conducción, su impedancia es cero e infinita en el caso de corte.
Ánodo
P
N
Cátodo
Materiales semiconductores son los empleados para construir diodos, particularmente
aquellos que se encuentren ubicados en el grupo IV de la tabla periódica resultan muy
apropiados. Uno de ellos es el silicio, elemento fundamental en la construcción de los
circuitos integrados.
Si a un elemento del grupo IV se le agrega o “dopa” con elementos del grupo III se obtiene
un semiconductor denominado tipo p, ya que se convierte en un elemento eléctricamente
positivo. Caso contrario, si es dopado con un elemento del grupo V, entonces se obtiene un
semiconductor tipo n, esto es, eléctricamente negativo. Ahora, si se unen cara a cara dos
elementos del tipo p y tipo n, se obtiene una unión con una diferencia de potencial entre
ellas equivalente que varía de entre 0.6 y 0.7 volts.
Ánodo
P
Cátodo
Ahora, si el ánodo y el cátodo son conectados a una fuente de voltaje, en las terminales
positiva y cero, se obtendrá un circuito cerrado y fluirá corriente eléctrica a través de él, por
1
Práctica Cero
lo que se dice que se encuentra en modo de conducción. Una conexión contraría llevaría a
una situación de modo corte.
+
I
P
Símbolo del diodo
+ Ánodo
- Cátodo
Como una utilidad inmediata de los diodos, se cuenta con los transistores, de aplicación
universal en todas las áreas de la electrónica. A continuación se hace una breve descripción
de ellos.
Transistores.
Definitivamente, un invento que catapultó a otra dimensión al área de la electrónica y con
ello al avance tecnológico, creando, e impactando positivamente al mundo digital. Las
siguientes líneas explican de manera breve su operación.
Un transistor, en el modo de interruptor, realiza una función similar, más no igual, a la de
los contactos mecánicos de un relevador. Tiene tres terminales, denominadas colector, base
y emisor, como lo muestra la figura siguiente. Se denominan BJT (Bipolar Junction
Transistor) porque está formado por la unión de dos diodos, que tienen en común una de las
terminales, esto es, se puede contar con un arreglo pnp o npn, ésta última la más usual y a la
cual se hará referencia en adelante.
Colector
N
Base
P
N
Emisor
Cuando un transistor opera en modalidad de interruptor, puede adoptar dos posibles
estados: corte o saturación. Cuando trabaja en corte, el voltaje de base es inferior a los 0.6
volts, y con esto se garantiza que no hay flujo de corriente por la terminal de base.
2
Práctica Cero
En caso de que el voltaje sea mayor, el transistor entrará al modo de conducción y habrá
flujo de corriente de la base hacia el emisor.
Si se desea operar al transistor como un interruptor normalmente abierto, para activar una
carga, la misma debe de ser conectada en serie entre el voltaje de alimentación y la terminal
de colector. Una vez que el transistor entra en conducción (siendo voltaje de entra mayor a
0.6), empieza a fluir corriente por la carga, esto es, entre las terminales de voltaje de
alimentación y la terminal del colector. Si se desea transferir la totalidad del voltaje de
alimentación hacia la carga es necesario lograr la saturación en la corriente de base; de esa
manera también se logra la saturación de corriente en el colector. En otros términos, y de
manera ideal, la relación de voltaje en el colector viene dada por:
IC 
VCC
(1)
Rc arg a
Por otro lado, la corriente de base viene expresada como:
I C  I B (2)
Esta última relación establece que la corriente que circula por el colector, está amplificada
beta veces con respecto a la corriente de la base. Esto se debe a que la terminal de emisor se
encuentra en un grado mucho mayor de dopaje que la base en combinación con el hecho de
que Vb > Ve, provoca un flujo de electrones del emisor hacia la base. Por otro lado, las
dimensiones de la base se manufacturan lo suficientemente delgadas como para que el flujo
que inicia en el emisor y continua por la base, pueda circular hacia el colector, ya que Vc
>Vb, provocando un flujo de emisor a colector mucho mayor que el de emisor – base. Si se
regula este último flujo, se obtiene una variación correspondiente en el total, emisor –
colector. Es así entonces que el transistor opera como un amplificador de corriente, siendo
la corriente de emisor – base la entrada y emisor – colector la salida, con un puente en la
base. Las compañías manufactureras entregan un producto cuyo factor de ganancia en
corriente es superior a 100. Sin embargo, siempre es conveniente revisar previamente este
término empleando un multímetro que posea esa función.
Tradicionalmente se ha considerado a la dirección de la corriente en sentido contrario al
flujo de electrones, por lo que es común manejar los términos “corriente base – emisor”,
sobreentendiendo que en realidad la corriente lleva sentido opuesto.
De las ecuaciones anteriores, sustituyendo 2 en 1:
VCC
IB 
(3)
Rc arg a
Para el voltaje de base – emisor se tiene:
Ventrada  I B RB  0.6
Sustituyendo en esta última a la ecuación 3:
3
Práctica Cero
Ventrada 
VCC RB
 0.6
Rc arg a
En una gran cantidad de aplicaciones es necesario calcular la resistencia de base para
garantizar la saturación en el colector, en cuyo caso, de la última expresión se puede
despejar su relación:
RB 
(Ventrada  0.6) Rc arg a
VCC
Divisor de voltaje.
Los divisores de voltaje, como el que se muestra en la siguiente figura, a menudo pueden
ser empleados para realizar conversiones de variación de resistencia en variaciones de
voltaje. El voltaje de salida, o servicio es:
Vout 
R2Vin
R1  R2
En donde Vin es el voltaje de entrada procedente de algún dispositivo o instrumento de
campo; Vout es la señal de salida o servicio, atenuada por la relación de resistencias.
En un ambiente industrial es común encontrar señales eléctricas que poseen frecuencias o
comportamientos poco apropiados para la operación de ciertos equipos o máquinas. Tal es
el caso de un elemento de rodillo electromecánico que detecta la posición inicial o final de
un cilindro en desplazamiento de vaivén. Por naturaleza el rodillo posee la característica del
“rebote”, esto es, el contacto entre las terminales del microswitch no se realiza de manera
instantánea, sino que primero se generan fluctuaciones para después llegar al estado estable.
Esas transiciones pueden ser la causa de problemas posteriores en la parte de procesamiento
de la información, ejecutada por el controlador. Para evitar esto último, se emplean filtros
RC para limpiar la señal.
V
Voltaje en las terminales de un microswitch detector final de carrera y filtro RC
4
Práctica Cero
Ejemplo de aplicación.
Se desea implementar un circuito electrónico con transistor que active la bobina de avance
de una válvula electroneumática, Y1, la cual alimenta a la recámara de avance de un
cilindro neumático de simple efecto. El cilindro se ocupa en una mesa de trabajo actuando
sobre una pieza, para que efectúe una operación de estampado. La válvula es de tres vías y
dos estados, 3/2, activada por bobina y retroceso por resorte, normalmente cerrada. La
válvula posee un carrete interno, de material ferroso, que direcciona el flujo de aire
comprimido, procedente de un compresor, hacia la recámara de avance del cilindro. El
carrete se desplaza al instante en que se genera un campo magnético como consecuencia de
haber energizado a Y1, provocando la carrera de salida del émbolo del cilindro; cuando a
Y1 se le libera de su alimentación eléctrica se pierde la acción magnética y el resorte
provoca que el vástago retorne a su posición inicial, haciendo que el émbolo del cilindro
retorne a su posición retraída. Para lograr el avance se deben de cumplir dos cosas: la
garantía de que la activación de la bobina se dará a la orden de un botón de marcha, Bm.
La descripción anterior se muestra en el diagrama esquemático siguiente.
Información técnica del equipo:
Cilindro neumático de simple efecto; operación a 6 bar.
Válvula electroneumática de 3 vías dos estados; bobina o solenoide activada por corriente
directa a 24 Vcc con 1.5 Watts de potencia.
Botón de marcha, Bm, pulsador normalmente abierto, servicio de 24 Vcc.
Solución.
Para activar la carga Y1, se empleará un transistor NPN, en modalidad de interruptor. En
particular se emplea el 2N2222. El voltaje de entrada a la resistencia de base deberá de ser
de 5Vcc.
5
Práctica Cero
Considerando que el voltaje de operación de la bobina es 24 Vcc y su potencia es 1.6
Watts, la corriente de saturación en el colector debe de ser:
W  V iC , iC  W / V  0.062amp
Ahora, para determinar la resistencia de base:
Vi  iB RB  0.7 , entonces: RB  (Vi  0.7) / i B y considerando que: iC   i B
RB  (Vi  0.7) / iC  (5  0.7)212 / 0.062  14703.22  14.7 K
El circuito completo para Y1 es:
24V
+V
Válvula
5V
+V
2N2222A
Rbase
Como se tiene de condición que el voltaje de entrada sea de 5 volts de corriente directa,
será necesario acondicionar un poco la señal ya que Bm transmite un nivel de 24 Vcc. Para
solventar esto último, se emplea un divisor de voltaje que recorte las señales de 24 a 5 Vcc.
Teóricamente, la magnitud de las resistencias R1 y R2 puede darse en una combinación
infinita para obtener el resultado, sin embargo, en este ejemplo se buscará emplear
resistencias de valor comercial:
R2
24  5
R1  R2
Entonces: R1 = 3.8R2. Los valores comerciales que más se aproximan son las resistencias
de 1,000 y 220 ohms, respectivamente, para obtener una relación de:
220
24  4.32V , los cuales harán que el transistor entre en modo de saturación.
1000  220
Anote sus observaciones con respecto al comportamiento del cilindro, el voltaje de la carga
y el voltaje de entrada a la base.
6
Práctica Cero
24
+V
Bobina de la válvula
Diodo en paralelo
Colector
24
+V
1 k
14.7k
Q1
2N2222
220 ohm
Emisor
Divisor de voltaje
Circuito electrónico completo.
7
Práctica Cero
1 k
14.7k
2N2222
220 ohm
Disposición física de la instalación eléctrica.
Actividad extra.
Cambie R1 ó R2 del divisor de voltaje por un potenciómetro multi-vueltas y ajuste de tal
forma que pueda modificar el voltaje de entrada a la resistencia de base. Utilizando el
multímetro, observe cómo se distribuye el voltaje desde el colector hasta el emisor.
8