Laboratorio de Automatismos Lógicos Diodos, transistores y divisores de voltaje: un ejemplo de aplicación en Laboratorio Profesor Guillermo Sandoval enítez 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 I 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 I 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, 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
lo que se dice que se encuentra en modo de conducción. Una conexión contraría llevaría a una situación de modo corte. + - P I 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 JT (ipolar 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 ase N 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
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: I C CC (1) R c arg a Por otro lado, la corriente de base viene expresada como: I (2) C I 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 b > e, 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 c >b, 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: CC I (3) R c arg a Para el voltaje de base emisor se tiene: entrada I R 0.6 Sustituyendo en esta última a la ecuación 3: 3
entrada CCR R c arg a 0.6 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: R ( entrada 0.6) R CC c arg a 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: out R 1 2 in R R 2 En donde in es el voltaje de entrada procedente de algún dispositivo o instrumento de campo; out 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. oltaje en las terminales de un microswitch detector final de carrera y filtro RC 4
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, m. La descripción anterior se muestra en el diagrama esquemático siguiente. Información técnica del equipo: Cilindro neumático de simple efecto; operación a 6 bar. álvula electroneumática de 3 vías dos estados; bobina o solenoide activada por corriente directa a 24 cc con 1.5 Watts de potencia. otón de marcha, m, pulsador normalmente abierto, servicio de 24 cc. 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 5cc. 5
Considerando que el voltaje de operación de la bobina es 24 cc y su potencia es 1.6 Watts, la corriente de saturación en el colector debe de ser: W i C, i C W / 0. 062amp Ahora, para determinar la resistencia de base: i i R 0.7, entonces: R ( i 0.7) / i y considerando que: i C i R ( 0.7) / i (5 0.7)212/ 0.062 14703.22 14. K i C 7 El circuito completo para Y1 es: 24 + álvula 5 + Rbase 2N2222A 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 m transmite un nivel de 24 cc. Para solventar esto último, se emplea un divisor de voltaje que recorte las señales de 24 a 5 cc. 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 R R 1 2 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 4.32, 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
24 + Diodo en paralelo obina de la válvula 24 + 1 k Colector 14.7k Q1 2N2222 220 ohm Emisor Divisor de voltaje Circuito electrónico completo. 7
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