TRANSISTOR BJT COMO CONMUTADOR
Aplicar los transistores no se limita únicamente a la amplificación de señales. A través de un diseño adecuado pueden utilizarse como un interruptor para computadora y para aplicaciones de control. Puede emplearse como un inversor en los circuitos lógicos de las computadoras.
Observe la figura 4.24 donde el voltaje de salida Vc es opuesto al que se aplicó sobre la base o a la terminal de entrada. También obsérvese la ausencia de una fuente de dc conectada al circuito de la base. La única fuente de dc está conectada al colector o lado de la salida, y para las aplicaciones de computadoras normalmente es igual a la magnitud del nivel "alto" de la señal aplicada, en este caso 5 V.
Figura 4.24. Transistor inversor.
El diseño ideal para el proceso de inversión requiere que el punto de operación conmute de corte a la saturación, pero a lo largo de la recta de carga. Para estos propósitos se asumirá que Ic = Iceo = 0 mA cuando IB = 0 µA (una excelente aproximación de acuerdo con las mejoras de las técnicas de fabricación).
Cuando Vi = 5 V, el transistor se encontrará "encendido" y el diseño debe asegurar que la red está saturada totalmente por un nivel de IB mayor asociado con la curva IB, que aparece cerca del nivel de saturación. El nivel de saturación para la corriente del colector y para el circuito está definido por: ICsat = Vcc/ Rc
Comportamiento del bipolar en conmutación
A continuación, estudiaremos brevemente el comportamiento en conmutación del transistor bipolar. Nuestro objetivo principal es relacionar el comportamiento en conmutación del inversor RTL con la física interna del bipolar. Idealmente, nos gustaría que el bipolar conmutara instantáneamente de saturación a corte y viceversa. Sin embargo, las capacidades de transición de las uniones y el almacenamiento de portadores minoritarios en la base, ralentizan las transiciones.
Consideremos el inversor RTL de la Figura 4.46. El transistor es un 2N2222, un viejo favorito de los diseñadores de circuitos electrónicos. Muchas de las versiones educacionales de SPICE incluyen el modelo completo del 2N2222. Este modelo contiene parámetros que tienen en cuenta las capacidades parásitas del dispositivo y los efectos del almacenamiento de carga. No nos extenderemos en esto; simplemente queremos mostrar los efectos de la conmutación en un circuito típico.
Parte de la corriente de base fluye a través de la capacidad de la unión del colector, y sale del terminal del colector (lo contrario del sentido normal de la corriente de colector para un transistor npn en la región activa). Esta corriente hace que aumente la tensión de salida. Así, la tensión de salida es, de hecho, ligeramente mayor que la tensión de alimentación de 3 V. Poco después del comienzo del pulso de entrada, la tensión de la base se hace lo suficientemente alta como para polarizar en directa la unión del emisor. Entonces, los electrones cruzan desde el emisor hacia a la base. Estos electrones se difunden hacia la unión del colector. Así, empieza a fluir corriente hacia el colector y la tensión del colector comienza a caer.
Aproximadamente en t%190 ns, el transistor entra en la región de saturación. Entonces, la tensión de colector se hace (aproximadamente) constante, con un valor de unas pocas décimas de voltio.
La tensión de entrada vin vuelve a cero en t%300 ns. Sin embargo, la tensión de salida permanece baja hasta aproximadamente t%520 ns, debido al exceso de portadores minoritarios (electrones) almacenados en la región de la base vin vo4
Cuando el transistor es llevado a saturación, ambas uniones están polarizadas en directa por lo que se va acumulando una alta concentración de electrones en la base. Hasta que estos electrones no han sido quitados de la base, sigue fluyendo corriente directa a través de las uniones. Observe que la corriente de base cambia de dirección al final del pulso de entrada. Esto se debe a la carga almacenada que sale del terminal de la base.
Aproximadamente en t%520 ns, la mayor parte del exceso de carga contenido en la base ha sido extraído y la corriente de colector comienza a caer, haciendo que crezca la tensión de salida. Sin embargo, la tensión de salida crece paulatinamente a causa de las capacidades parásitas de la unión. Al final, el transistor vuelve al estado de corte.
Como era de esperar, el circuito actúa como inversor lógico. Cuando la entrada es baja, la salida, con el tiempo, se hace alta. De igual manera, cuando la entrada es alta, la salida, al final, se hace baja. A causa de los efectos del almacenamiento de cargas, los cambios en la salida no tienen lugar inmediatamente al cambiar la entrada. Desde luego, en muchas aplicaciones se desea que los retardos de la conmutación sean lo más breves que sea posible.
Definiciones del intervalo de conmutación
A menudo, las hojas de datos de los transistores ofrecen especificaciones de los intervalos de tiempo de conmutación para circuitos de prueba similares al inversor RTL.
Definimos el inicio de una transición lógica como el punto en el que ya ha ocurrido el 10% del cambio de tensión. Por ejemplo, el inicio del flanco de subida del impulso de entrada de 3 voltios, es el punto en el que el impulso de entrada alcanza los 0,3 V. De igual manera, el inicio del flanco de bajada del impulso de salida es el punto en el que vo cae a 2,7 V. Estos puntos de inicio se indican en la Figura 4.50.
De igual forma, definimos el final de una transición lógica como el punto en el que ya ha tenido lugar el 90% del cambio de tensión. Las hojas de datos de los transistores utilizados en aplicaciones de conmutación, especifican a menudo los siguientes intervalos de conmutación:
td es el tiempo de retardo, medido desde el comienzo del flanco de subida de la entrada hasta el comienzo del flanco de bajada de la salida. Véase la Figura 4.50.
tr es el tiempo de subida, medido desde el punto de inicio hasta el punto final del flanco de subida del impulso de salida. Por ejemplo, en la Figura 4.50, tr es el intervalo entre el punto de 2,7 V y el punto de 0,3 V del flanco de subida del impulso de salida.
ts es el tiempo de almacenamiento, medido desde el punto de inicio del flanco de bajada del impulso de entrada hasta el punto inicial del flanco posterior del impulso de salida.
tf es el tiempo de caída, medido entre los puntos inicial y final del flanco de bajada del impulso de salida.
Si examinamos la hoja de datos del fabricante para el 2N2222 o el 2N2222A, que es muy similar, encontraremos que se ofrecen valores típicos de td, tr, ts y tf para determinadas condiciones de prueba. Los circuitos con los que se han hecho pruebas se suelen facilitar en las hojas de datos.
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