En la práctica, a menudo surge la necesidad de controlar algún dispositivo eléctrico potente mediante un circuito digital (por ejemplo, un microcontrolador). Podría ser un LED potente que consume mucha corriente o un dispositivo alimentado por una red de 220 V. Consideremos soluciones típicas a este problema.
Tipos de control
Convencionalmente se pueden distinguir tres grupos de métodos:
- Control de carga CC.
- Interruptor de transistor basado en un transistor bipolar.
- Conmutador de transistores basado en un transistor MOS (MOSFET).
- Interruptor de transistores IGBT.
- Gestión de carga C.A..
- Interruptor de tiristor.
- Llave triac.
- Método universal.
- Relé.
La elección del método de control depende tanto del tipo de carga como del tipo de lógica digital utilizada. Si el circuito está construido sobre chips TTL, debe recordarse que están controlados por corriente, a diferencia de CMOS, donde el control se realiza por voltaje. A veces es importante.
Interruptor de transistores bipolares
Para la corriente $I_(LED) = 0(,)075\,A$, la corriente de control debe ser $\beta = 50$ veces menor:
Consideremos que la caída de voltaje a través de la transición emisor-base es igual a $V_(EB) = 0(,)7\,V$.
La resistencia se redondeó hacia abajo para proporcionar un margen actual.
Así, encontramos los valores de las resistencias R1 y R2.
Transistor Darlington
Si la carga es muy potente, la corriente que la atraviesa puede alcanzar varios amperios. Para transistores de alta potencia, el coeficiente $\beta$ puede ser insuficiente. (Además, como se puede ver en la tabla, para transistores potentes ya es pequeño).
En este caso se puede utilizar una cascada de dos transistores. El primer transistor controla la corriente, que enciende el segundo transistor. Este circuito de conexión se llama circuito Darlington.
En este circuito, los coeficientes $\beta$ de los dos transistores se multiplican, lo que da como resultado un coeficiente de transferencia de corriente muy grande.
Para aumentar la velocidad de apagado de los transistores, puedes conectar el emisor y la base de cada uno con una resistencia.
Las resistencias deben ser lo suficientemente grandes como para no afectar la corriente base-emisor. Los valores típicos son 5…10 kOhm para tensiones de 5…12 V.
Los transistores Darlington están disponibles en la forma dispositivo separado. En la tabla se dan ejemplos de tales transistores.
Por lo demás, el funcionamiento de la llave sigue siendo el mismo.
Tecla del transistor de efecto de campo
En el futuro, llamaremos específicamente a un transistor de efecto de campo MOSFET, es decir, transistores de efecto de campo con una puerta aislada (también conocido como MOS, también conocido como MIS). Son convenientes porque están controlados exclusivamente por voltaje: si el voltaje de la puerta es mayor que el voltaje umbral, entonces el transistor se abre. En este caso, la corriente de control no fluye a través del transistor mientras está abierto o cerrado. Esta es una ventaja significativa sobre los transistores bipolares, en los que la corriente fluye todo el tiempo que el transistor está abierto.
Además, en el futuro solo usaremos MOSFET de canal n (incluso para circuitos push-pull). Esto se debe a que los transistores de canal n son más baratos y tienen mejor rendimiento.
A continuación se muestra el circuito de conmutación más simple que utiliza un MOSFET.
Nuevamente, la carga está conectada “desde arriba”, al desagüe. Si lo conectas “desde abajo”, el circuito no funcionará. El hecho es que el transistor se abre si el voltaje entre la puerta y la fuente excede el umbral. Cuando se conecta "desde abajo", la carga producirá una caída de voltaje adicional y es posible que el transistor no se abra o no se abra por completo.
Con el control push-pull, el circuito de descarga del capacitor en realidad forma un circuito RC en el que corriente máxima el rango será igual
donde $V$ es el voltaje que controla el transistor.
Así, bastará con instalar una resistencia de 100 ohmios para limitar la corriente de carga y descarga a 10 mA. Pero cuanto mayor sea la resistencia de la resistencia, más lentamente se abrirá y cerrará, ya que la constante de tiempo $\tau = RC$ aumentará. Esto es importante si el transistor cambia con frecuencia. Por ejemplo, en un controlador PWM.
Los principales parámetros a los que debes prestar atención son el voltaje umbral $V_(th)$, la corriente máxima a través del drenaje $I_D$ y la resistencia de la fuente de drenaje $R_(DS)$ de un transistor abierto.
A continuación se muestra una tabla con ejemplos de características de los MOSFET.
| Modelo | $V_(ésimo)$ | $\max\I_D$ | $\max\R_(DS)$ |
|---|---|---|---|
| 2N7000 | 3V | 200 mA | 5 ohmios |
| IRFZ44N | 4V | 35 A | 0,0175 ohmios |
| IRF630 | 4V | 9A | 0,4 ohmios |
| IRL2505 | 2V | 74 A | 0,008 ohmios |
Los valores máximos se dan para $V_(th)$. El hecho es que para diferentes transistores, incluso del mismo lote, este parámetro puede diferir mucho. Pero si el valor máximo es, digamos, 3 V, entonces se garantiza que este transistor se utilizará en circuitos digitales con una tensión de alimentación de 3,3 V o 5 V.
La resistencia de la fuente de drenaje de los modelos de transistores anteriores es bastante pequeña, pero debe recordarse que a altos voltajes de carga controlada, incluso esto puede provocar la liberación de una cantidad significativa de energía en forma de calor.
Circuito de conmutación rápida
Como ya se mencionó, si el voltaje en la puerta en relación con la fuente excede el voltaje umbral, entonces el transistor se abre y la resistencia drenaje-fuente es baja. Sin embargo, el voltaje cuando se enciende no puede saltar repentinamente al umbral. Y en valores más bajos, el transistor actúa como resistencia, disipando el calor. Si la carga debe encenderse con frecuencia (por ejemplo, en un controlador PWM), es aconsejable cambiar el transistor del estado cerrado al estado abierto y viceversa lo más rápido posible.
Una vez más, preste atención a la ubicación de la carga del transistor de canal n: está ubicada "en la parte superior". Si lo coloca entre el transistor y tierra, debido a la caída de voltaje en la carga, el voltaje de la puerta-fuente puede ser menor que el umbral, el transistor no se abrirá completamente y puede sobrecalentarse y fallar.
Controlador de transistor de efecto de campo
Si aún necesita conectar la carga a un transistor de canal n entre drenaje y tierra, entonces hay una solución. Puede utilizar un chip ya preparado: un controlador de lado alto. Arriba: porque el transistor está arriba.
También se encuentran disponibles controladores de los brazos superior e inferior (por ejemplo, IR2151) para construir un circuito push-pull, pero esto no es necesario para simplemente encender la carga. Esto es necesario si la carga no se puede dejar "colgando en el aire", sino que se debe tirar al suelo.
Veamos el circuito del controlador del lado alto usando el IR2117 como ejemplo.
El circuito no es muy complicado y el uso de un controlador le permite utilizar el transistor de manera más eficiente.
IGBT
Otro clase interesante Los dispositivos semiconductores que se pueden utilizar como interruptor son los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT).
Combinan las ventajas de los transistores MOS y bipolares: están controlados por voltaje y tienen voltajes y corrientes máximos permitidos altos.
Puede controlar un interruptor en un IGBT de la misma manera que un interruptor en un MOSFET. Debido a que los IGBT se usan más en electrónica de potencia, generalmente se usan junto con controladores.
Por ejemplo, según la hoja de datos, el IR2117 se puede utilizar para controlar IGBT.
Un ejemplo de IGBT es el IRG4BC30F.
Control de carga de CA
Todos los esquemas anteriores se distinguían por el hecho de que la carga, aunque potente, funcionaba con corriente continua. Los circuitos tenían líneas de tierra y de alimentación claramente definidas (o dos líneas, para el controlador y la carga).
Para los circuitos de CA, se deben utilizar diferentes enfoques. Los más habituales son el uso de tiristores, triacs y relés. Veremos el relevo un poco más tarde, pero por ahora hablemos de los dos primeros.
Tiristores y triacs
Un tiristor es un dispositivo semiconductor que puede estar en dos estados:
- abierto: pasa corriente, pero solo en una dirección,
- cerrado: no deja pasar la corriente.
Dado que un tiristor sólo permite que la corriente fluya en una dirección, no es muy adecuado para encender y apagar una carga. La mitad del tiempo de cada período de corriente alterna el dispositivo está inactivo. Sin embargo, se puede utilizar un tiristor en un atenuador. Allí se puede utilizar para controlar la energía, cortando una parte de la energía requerida de la onda de energía.
Un triac es en realidad un tiristor bidireccional. Esto significa que permite pasar no medias ondas, sino una onda completa de la tensión de alimentación de la carga.
Hay dos formas de abrir un triac (o tiristor):
- aplicar (al menos brevemente) una corriente de desbloqueo al electrodo de control;
- aplicar un voltaje suficientemente alto a sus electrodos "de trabajo".
El segundo método no nos conviene, ya que la tensión de alimentación tendrá una amplitud constante.
Una vez que el triac se ha abierto, se puede cerrar cambiando la polaridad o reduciendo la corriente a través de él a un valor menor que la llamada corriente de mantenimiento. Pero como el suministro de energía se realiza mediante corriente alterna, esto sucederá automáticamente al final del medio ciclo.
Al elegir un triac, es importante tener en cuenta la magnitud de la corriente de mantenimiento ($I_H$). Si toma un triac potente con una corriente de retención alta, la corriente a través de la carga puede ser demasiado pequeña y el triac simplemente no se abrirá.
llave triac
Para aislamiento galvánico Para los circuitos de control y potencia, es mejor utilizar un optoacoplador o un controlador triac especial. Por ejemplo, MOC3023M o MOC3052.
Estos optoacopladores constan de un LED infrarrojo y un fototriaco. Este fototriac se puede utilizar para controlar un potente interruptor triac.
El MOC3052 tiene una caída de voltaje LED de 3 V y una corriente de 60 mA, por lo que es posible que necesite usar un LED adicional cuando lo conecte a un microcontrolador. interruptor de transistores.
El triac incorporado está diseñado para voltaje de hasta 600 V y corriente de hasta 1 A. Esto es suficiente para controlar potentes electrodomésticos a través del segundo triac de potencia.
Considere un circuito para controlar una carga resistiva (por ejemplo, una lámpara incandescente).
Por tanto, este optoacoplador actúa como un controlador triac.
También hay controladores con detector de cero, por ejemplo, MOC3061. Conmutan sólo al comienzo del período, lo que reduce las interferencias en la red eléctrica.
Las resistencias R1 y R2 se calculan como de costumbre. La resistencia de la resistencia R3 se determina en función del voltaje máximo en la red de suministro de energía y la corriente de desbloqueo del triac de potencia. Si se toma uno demasiado grande, el triac no se abrirá; si es demasiado pequeño, la corriente fluirá en vano. Es posible que se requiera una resistencia potente.
Sería útil recordar que 220 V en la red eléctrica es el valor de la tensión efectiva. El voltaje máximo es $\sqrt2 \cdot 220 \approx 310\,V$.
Control de carga inductiva
Al accionar una carga inductiva, como un motor eléctrico, o cuando hay ruido en la línea, el voltaje puede llegar a ser lo suficientemente alto como para provocar que el triac se abra espontáneamente. Para combatir este fenómeno, es necesario agregar un amortiguador al circuito: un condensador de suavizado y una resistencia en paralelo con el triac.
El amortiguador no mejora mucho la situación de las emisiones, pero es mejor con él que sin él.
El condensador cerámico debe estar diseñado para un voltaje mayor que el pico en la fuente de alimentación. Recordemos una vez más que para 220 V son 310 V. Es mejor cogerlo con reserva.
Valores típicos: $C_1 = 0(,)01\,uF$, $R_4 = 33\,Ohm$.
También hay modelos triac que no requieren amortiguador. Por ejemplo, BTA06-600C.
Ejemplos de triacs
En la siguiente tabla se dan ejemplos de triacs. Aquí $I_H$ es la corriente de mantenimiento, $\max\ I_(T(RMS))$ es la corriente máxima, $\max\ V_(DRM)$ es el voltaje máximo, $I_(GT)$ es la corriente de desbloqueo. .
| Modelo | $I_H$ | $\max\I_(T(RMS))$ | $\max\V_(DRM)$ | $I_(GT)$ |
|---|---|---|---|---|
| BT134-600D | 10 mA | 4A | 600 voltios | 5 mA |
| MAC97A8 | 10 mA | 0,6 A | 600 voltios | 5 mA |
| Z0607 | 5 mA | 0,8 A | 600 voltios | 5 mA |
| BTA06-600C | 25 mA | 6A | 600 voltios | 50 mA |
Relé
Relés electromagnéticos
Desde el punto de vista del microcontrolador, el relé en sí es una carga potente y, además, inductiva. Por lo tanto, para encender o apagar el relé, es necesario utilizar, por ejemplo, un interruptor de transistor. El diagrama de conexión y también la mejora de este esquema se discutieron anteriormente.
Los relés convencen por su sencillez y eficacia. Por ejemplo, el relé HLS8-22F-5VDC está controlado por un voltaje de 5 V y es capaz de conmutar una carga que requiere una corriente de hasta 15 A.
Relés de estado sólido
La principal ventaja del relé, la facilidad de uso, se ve eclipsada por varias desventajas:
- Este dispositivo mecanico y los contactos pueden ensuciarse o incluso soldarse entre sí,
- velocidad de conmutación más baja,
- corrientes relativamente grandes para conmutación,
- contactos hacen clic.
Algunas de estas deficiencias se eliminan con los llamados relés de estado sólido. Se trata, de hecho, de dispositivos semiconductores con aislamiento galvánico que contienen en su interior un potente circuito de conmutación completo.
Conclusión
Así, tenemos suficientes métodos de control de carga en nuestro arsenal para solucionar casi cualquier problema que le pueda surgir a un radioaficionado.
editor de esquemas
Todos los diagramas están dibujados en KiCAD. Últimamente lo uso para mis proyectos, es muy conveniente, lo recomiendo. Con su ayuda no sólo puedes dibujar circuitos, sino también diseñar placas de circuito impreso.
Aquí saqué por separado un tema tan importante. pregunta practica, como conectar sensores inductivos con salida de transistor, que en la actualidad equipos industriales- en todos lados. Además, se proporcionan instrucciones reales para los sensores y enlaces a ejemplos.
El principio de activación (funcionamiento) de los sensores puede ser cualquier cosa: inductivo (proximidad), óptico (fotoeléctrico), etc.
La primera parte descrita. opciones posibles salidas de sensores. No debería haber problemas para conectar sensores con contactos (salida de relé). Pero con los de transistores y conectándolos a un controlador, no todo es tan sencillo.
A continuación, a modo de ejemplo, se muestran diagramas para conectar sensores con salida de transistor. Carga: por regla general, esta es la entrada del controlador.
Sensor. La carga (Carga) está constantemente conectada a "menos" (0V), el suministro de "1" discreto (+V) se conmuta mediante un transistor. Sensor NO o NC: depende del circuito de control (circuito principal)
Sensor. La carga (Load) está constantemente conectada al “más” (+V). Aquí, el nivel activo (discreto “1”) en la salida del sensor es bajo (0 V), mientras que se suministra energía a la carga a través del transistor abierto.
Insto a todos a que no se confundan; el funcionamiento de estos esquemas se describirá en detalle a continuación.
Los diagramas siguientes muestran básicamente lo mismo. Se pone énfasis en las diferencias en los circuitos de salida PNP y NPN.
En la imagen de la izquierda hay un sensor con un transistor de salida. PNP. Cambiado cable común, que en este caso es el cable negativo de la fuente de alimentación.
A la derecha está el caso del transistor. PNP a la salida. Este caso es el más común, ya que en la electrónica moderna se acostumbra hacer común el cable negativo de la fuente de alimentación y activar las entradas de los controladores y otros dispositivos de grabación con potencial positivo.
¿Cómo comprobar un sensor inductivo?
Para hacer esto, debe suministrarle energía, es decir, conectarlo al circuito. Luego, actívelo (inícielo). Cuando se activa, el indicador se iluminará. Pero la indicación no garantiza funcionamiento adecuado sensor inductivo. Debe conectar la carga y medir el voltaje para estar 100% seguro.
Reemplazo de sensores
Como ya escribí, existen fundamentalmente 4 tipos de sensores con salida de transistor, que se dividen según estructura interna y diagrama de conexión:
- PNPNO
- PNP Carolina del Norte
- NPN NO
- NPN Carolina del Norte
Todos estos tipos de sensores se pueden reemplazar entre sí, es decir. son intercambiables.
Esto se implementa de las siguientes maneras:
- Modificación del dispositivo de iniciación: el diseño se cambia mecánicamente.
- Cambiar el circuito de conexión del sensor existente.
- Cambiar el tipo de salida del sensor (si hay dichos interruptores en el cuerpo del sensor).
- Reprogramar un programa - cambiar el nivel activo entrada dada, cambiando el algoritmo del programa.
A continuación se muestra un ejemplo de cómo se puede reemplazar un sensor PNP por uno NPN cambiando el diagrama de conexión:
Reemplazo PNP-NPN. A la izquierda está el diagrama original, a la derecha el modificado.
Comprender el funcionamiento de estos circuitos ayudará a comprender el hecho de que un transistor es elemento clave, que puede representarse mediante contactos de relé ordinarios (se muestran ejemplos a continuación en la notación).
Entonces el diagrama está a la izquierda. Supongamos que el tipo de sensor es NO. Luego (independientemente del tipo de transistor en la salida), cuando el sensor no está activo, sus “contactos” de salida están abiertos y no fluye corriente a través de ellos. Cuando el sensor está activo, los contactos se cierran, con todas las consecuencias consiguientes. Más precisamente, con corriente fluyendo a través de estos contactos)). La corriente que fluye crea una caída de voltaje a través de la carga.
La carga interna se muestra con una línea de puntos por una razón. Esta resistencia existe, pero su presencia no garantiza trabajo estable sensor, el sensor debe estar conectado a la entrada del controlador u otra carga. La resistencia de esta entrada es la carga principal.
Si no hay carga interna en el sensor y el colector "cuelga en el aire", entonces esto se denomina "circuito de colector abierto". Este circuito SÓLO funciona con una carga conectada.
Quizás esto sea interesante:
Entonces, en un circuito con salida PNP, cuando se activa, se suministra voltaje (+V) a la entrada del controlador a través de un transistor abierto y se activa. ¿Cómo podemos lograr lo mismo con la salida NPN?
Hay situaciones en las que el sensor deseado No lo tengo a mano, pero la máquina debería estar funcionando "ahora mismo".
Observamos los cambios en el diagrama de la derecha. En primer lugar, se garantiza el modo de funcionamiento del transistor de salida del sensor. Para hacer esto, se agrega una resistencia adicional al circuito; su resistencia suele ser de aproximadamente 5,1 a 10 kOhm. Ahora, cuando el sensor no está activo, se suministra voltaje (+V) a la entrada del controlador a través de una resistencia adicional y la entrada del controlador se activa. Cuando el sensor está activo, hay un “0” discreto en la entrada del controlador, ya que la entrada del controlador está abierta Transistor NPN, y casi toda la corriente de la resistencia adicional pasa a través de este transistor.
Sí, no es exactamente lo que queríamos. En este caso, se produce una reprogramación del funcionamiento del sensor. Pero el sensor funciona en modo y el controlador recibe información. En la mayoría de los casos esto es suficiente. Por ejemplo, en el modo de conteo de pulsos: un tacómetro o el número de piezas de trabajo.
¿Cómo lograr una funcionalidad completa? Método 1: mover o rehacer mecánicamente la placa de metal (activador). O el hueco luminoso, si hablamos de un sensor óptico. El método 2 consiste en reprogramar la entrada del controlador para que el “0” discreto sea el estado activo del controlador y el “1” sea el estado pasivo. Si tiene una computadora portátil a mano, el segundo método es más rápido y sencillo.
Símbolo del sensor de proximidad
En diagramas de circuito Los sensores inductivos (sensores de proximidad) tienen nombres diferentes. Pero lo principal es que hay un cuadrado girado 45° y en él dos líneas verticales. Como en los diagramas que se muestran a continuación.
SIN sensores NC. Diagramas esquemáticos.
En el diagrama superior hay un contacto normalmente abierto (NO) (convencionalmente denominado transistor PNP). El segundo circuito normalmente está cerrado y el tercer circuito tiene ambos contactos en una carcasa.
Codificación de colores de los cables del sensor.
existe sistema estándar marcas de sensores. Actualmente todos los fabricantes lo cumplen.
Sin embargo, antes de la instalación, es una buena idea asegurarse de que la conexión sea correcta consultando el manual de conexión (instrucciones). Además, como regla general, los colores de los cables se indican en el propio sensor, si su tamaño lo permite.
Esta es la marca.
Azul - Menos potencia
Marrón - Plus
Negro - Salir
Blanco: segunda salida o entrada de control, hay que mirar las instrucciones.
Sistema de designación de sensores inductivos.
El tipo de sensor se indica mediante un código alfabético digital, que codifica los principales parámetros del sensor. A continuación se muestra el sistema de etiquetado de los sensores Autonics más populares.
Descargue instrucciones y manuales para algunos tipos de sensores inductivos:
/ Sensores inductivos que se acerca. Descripción detallada parámetros, pdf, 135,28 kB, descargado: 1183 veces./Sensores reales
Es problemático comprar sensores, el producto es específico y los electricistas no los venden en las tiendas. Alternativamente, puedes comprarlos en China, en AliExpress.
Gracias a todos por su atención, espero preguntas sobre la conexión de sensores en los comentarios.
Los siguientes artículos incluirán dispositivos que necesitan controlar cargas externas. Por carga externa me refiero a todo lo que está conectado a las patas del microcontrolador: LED, bombillas, relés, motores, actuadores... bueno, ya entiendes la idea. Y por muy trillado que sea este tema, para evitar repeticiones en los siguientes artículos, todavía me arriesgo a no ser original, me perdonarán :). Mostraré brevemente, a modo de recomendación, las formas más comunes de conectar la carga (si desea agregar algo, estaré encantado).
Aceptemos inmediatamente que estamos hablando de una señal digital (un microcontrolador sigue siendo un dispositivo digital) y no nos desviaremos de la lógica general: 1
- incluido, 0
-apagado. Empecemos.
Las cargas de CC incluyen: LED, lámparas, relés, motores de CC, servos, varios actuadores, etc. Una carga de este tipo se conecta de forma más sencilla (y con mayor frecuencia) a un microcontrolador.
1.1 Conexión cargas a través de una resistencia.
El método más sencillo y probablemente más utilizado cuando se trata de LED.
Se necesita una resistencia para limitar la corriente que fluye a través de la pata del microcontrolador a lo permitido. 20mA. Se llama lastre o amortiguación. Puede calcular aproximadamente el valor de la resistencia conociendo la resistencia de carga Rн.
Reapagar =(5v / 0.02A) – Rн = 250 – Rн
Como puede ver, incluso en el peor de los casos, cuando la resistencia de carga es cero, 250 ohmios son suficientes para garantizar que la corriente no supere los 20 mA. Esto significa que si no quieres contar algo ahí, pon 300 ohmios y protegerás el puerto de sobrecargas. La ventaja del método es obvia: la simplicidad.
1.2 Conexión cargas utilizando un transistor bipolar.
Si sucede que su carga consume más de 20 mA, entonces, por supuesto, una resistencia no ayudará aquí. Es necesario aumentar (léase fortalecer) de alguna manera la corriente. ¿Qué se utiliza para amplificar la señal? Bien. ¡Transistor!
Es más conveniente usarlo para fortalecer. npn transistor conectado según el circuito equipo original. Con este método, puede conectar una carga con un voltaje de suministro más alto que la fuente de alimentación al microcontrolador. La resistencia en la base es limitante. Puede variar dentro de un amplio rango (1-10 kOhm), en cualquier caso el transistor funcionará en modo de saturación. El transistor puede ser cualquier cosa. npn transistor. La ganancia es prácticamente irrelevante. El transistor se selecciona en función de la corriente del colector (la corriente que necesitamos) y el voltaje del colector-emisor (el voltaje que alimenta la carga). La disipación de energía también es importante, para no sobrecalentarse.
De los comunes y de fácil acceso, puedes usar BC546, BC547, BC548, BC549 con cualquier letra (100mA), y lo mismo KT315 servirá (aquellos que tengan sobras de existencias antiguas).
- Hoja de datos en transistores bipolares antes de Cristo547
1.3 Conexión cargas con la ayuda transistor de efecto de campo.
Bueno, ¿qué pasa si la corriente de nuestra carga está dentro de los diez amperios? No será posible utilizar un transistor bipolar, ya que las corrientes de control de dicho transistor son grandes y probablemente superarán los 20 mA. La salida puede ser un transistor compuesto (lea más abajo) o un transistor de efecto de campo (también conocido como MOS, también conocido como MOSFET). El transistor de efecto de campo es simplemente algo maravilloso, ya que no está controlado por la corriente, sino por el potencial en la puerta. Esto hace posible que la corriente de compuerta microscópica controle grandes corrientes de carga.
Cualquier transistor de efecto de campo de canal n es adecuado para nosotros. Seleccionamos, como bipolar, por corriente, voltaje y disipación de potencia.
Al encender un transistor de efecto de campo, se deben tener en cuenta varios puntos:
- Dado que la puerta es, de hecho, un condensador, cuando el transistor conmuta, fluyen grandes corrientes a través de él (a corto plazo). Para limitar estas corrientes, se coloca una resistencia limitadora en la puerta.
— el transistor está controlado por corrientes bajas y si la salida del microcontrolador al que está conectada la puerta está en un estado Z de alta impedancia, el interruptor de campo comenzará a abrirse y cerrarse de manera impredecible, captando interferencias. Para eliminar este comportamiento, la pata del microcontrolador debe “presionarse” contra el suelo con una resistencia de aproximadamente 10 kOhm.
En el transistor de efecto de campo en el contexto de todo ello. cualidades positivas hay un inconveniente. El costo de controlar la corriente baja es la lentitud del transistor. Por supuesto, manejará PWM, pero si se excede la frecuencia permitida, le responderá con sobrecalentamiento.
1.4 Conexión cargas utilizando un transistor Darlington compuesto.
Una alternativa al uso de un transistor de efecto de campo para cargas de alta corriente es utilizar un transistor Darlington compuesto. Externamente, es el mismo transistor que, digamos, bipolar, pero internamente se utiliza un circuito preamplificador para controlar el potente transistor de salida. Esto permite que corrientes bajas impulsen una carga potente. El uso de un transistor Darlington no es tan interesante como el uso de un conjunto de tales transistores. Existe un microcircuito tan maravilloso como el ULN2003. Contiene hasta 7 transistores Darlington, cada uno de los cuales se puede cargar con una corriente de hasta 500 mA y se pueden conectar en paralelo para aumentar la corriente.
El microcircuito es muy fácil de conectar al microcontrolador (solo pin a pin), tiene un cableado conveniente (entrada opuesta a la salida) y no requiere cableado adicional. Como resultado de este exitoso diseño, ULN2003 se usa ampliamente en la práctica de radioaficionados. En consecuencia, conseguirlo no será difícil.
- Hoja de datos para el ensamblaje Darlington ULN2003
Si necesita controlar dispositivos de CA (normalmente 220 V), entonces todo es más complicado, pero no mucho.
2.1 Conexión cargas utilizando un relé.
La conexión más sencilla y probablemente más fiable es mediante un relé. La bobina del relé en sí es una carga de alta corriente, por lo que no puede conectarla directamente al microcontrolador. El relé se puede conectar mediante un transistor de efecto de campo o bipolar, o mediante el mismo ULN2003, si se necesitan varios canales.
Las ventajas de este método son la alta corriente de conmutación (según el relé seleccionado) y el aislamiento galvánico. Desventajas: velocidad/frecuencia de activación limitada y desgaste mecánico de las piezas.
No tiene sentido recomendar algo para su uso: hay muchos relés, elija según los parámetros y el precio requeridos.
2.2 Conexión cargas usando un triac (triac).
Si necesita controlar una carga de CA potente, y especialmente si necesita controlar la energía suministrada a la carga (dímeros), entonces simplemente no puede prescindir de utilizar un triac (o triac). El triac se abre mediante un breve impulso de corriente a través del electrodo de control (tanto para medias ondas de voltaje negativas como positivas). El triac se cierra solo cuando no hay voltaje en él (cuando el voltaje pasa por cero). Aquí es donde comienzan las dificultades. El microcontrolador debe controlar el momento en que el voltaje cruza cero y, en un momento definido con precisión, enviar un pulso para abrir el triac; esta es una ocupación constante del controlador. Otra dificultad es la falta de aislamiento galvánico en el triac. Hay que hacerlo en elementos separados, complicando el circuito.
Aunque los triacs modernos se controlan mediante una corriente bastante baja y se pueden conectar directamente (mediante una resistencia limitadora) a un microcontrolador, por razones de seguridad deben encenderse mediante dispositivos de desacoplamiento óptico. Además, esto se aplica no sólo a los circuitos de control triac, sino también a los circuitos de control cero. 
Una forma bastante ambigua de conectar la carga. Ya que, por un lado, requiere la participación activa de un microcontrolador y un diseño de circuito relativamente complejo. Por otro lado, permite manipular la carga de forma muy flexible. Otra desventaja de usar triacs es gran número ruido digital creado durante su funcionamiento: se necesitan circuitos de supresión.
Los triacs se utilizan bastante y, en algunas zonas, son simplemente insustituibles, por lo que conseguirlos no es un problema. Los triacs del tipo BT138 se utilizan con mucha frecuencia en la radioafición.
Hola queridos lectores. En este artículo veremos la diferencia entre un transistor de efecto de campo y uno bipolar y descubriremos en qué áreas se utilizan ambos transistores.
Entonces, comencemos...
Entre los dispositivos semiconductores, se distinguen dos grandes grupos, que incluyen los de campo y los bipolares. Se utilizan ampliamente en electrónica y radiotecnia como generadores, amplificadores y convertidores de señales eléctricas. Para comprender la principal diferencia entre estos dispositivos, es necesario considerarlos con más detalle.
transistores bipolares
La región conductora de la estructura consta de tres partes semiconductoras "soldadas", que se alternan según el tipo de conductividad. Un semiconductor con conductividad donante (electrónica) se denomina tipo n, y con conductividad aceptora (hueco), tipo p. Por lo tanto, solo podemos observar dos opciones de alternancia: p-n-p o n-p-n. En base a esta característica, se distinguen los transistores bipolares con estructuras n-p-n y p-n-p.
La parte común del chip transistor en contacto con los otros dos se llama “base”. Los otros dos son “colector” y “emisor”. El grado de saturación de la base con portadores de carga (electrones o "agujeros" de electrones vacantes) determina el grado de conductividad de todo el cristal del transistor. De esta forma, se controla la conductividad de las transiciones del transistor, lo que permite su uso como elemento de amplificación de potencia de señal o como interruptor.
Transistores de efecto de campo
La parte conductora de la estructura es un canal semiconductor de tipo p o n en el metal. La corriente de carga fluye a través del canal a través de electrodos llamados "drenaje" y "fuente". El área de la sección transversal del canal conductor y su resistencia dependen del voltaje inverso en la unión p-n de la interfaz metal-semiconductor del canal. El electrodo de control conectado al área metálica se llama "puerta".
El canal del transistor de efecto de campo puede tener una conexión eléctrica con una puerta metálica, una puerta no aislada, o puede estar separado de ella por una fina capa de dieléctrico, una puerta aislada.
¿Qué transistores son mejores, los de efecto de campo o los bipolares?
Y así aprendimos que la principal diferencia entre estos dos tipos de transistores es el control. Veamos otras ventajas de los transistores de efecto de campo frente a los bipolares:
- alta impedancia de entrada corriente continua y en frecuencia alta, de ahí las pequeñas pérdidas de control
- alto rendimiento (debido a la ausencia de acumulación y reabsorción de portadores menores)
- aislamiento eléctrico casi completo de los circuitos de entrada y salida, baja capacidad de paso ya que las propiedades amplificadoras de los transistores de efecto de campo se deben a la transferencia de los principales portadores de carga, su límite superior de amplificación efectiva es mayor que el de los bipolares
- característica cuadrática de voltios-amperios (similar a un triodo)
- estabilidad a alta temperatura
- bajo nivel de ruido, ya que los transistores de efecto de campo no utilizan el fenómeno de inyección de portadores de carga minoritarios, lo que hace que los transistores bipolares sean "ruidosos"
- bajo consumo de energía
La acumulación y reabsorción de portadores de carga minoritarios está ausente en los transistores de efecto de campo, por lo que su rendimiento es muy alto (como lo señalan los desarrolladores de equipos de energía). Y dado que los principales portadores de carga transferidos son responsables de la amplificación en los transistores de efecto de campo, el límite superior de la amplificación efectiva para los transistores de efecto de campo es mayor que para los bipolares.
Aquí destacamos una alta estabilidad térmica, un bajo nivel de interferencias (debido a la ausencia de inyección de portadores de carga minoritarios, como ocurre en los bipolares) y eficiencia en términos de consumo energético.
Control de transistores de corriente o de campo.
Para la mayoría de las personas que se ocupan de la electrónica de una forma u otra, dispositivo básico Se deben conocer los transistores de efecto de campo y bipolares. Al menos por el nombre "transistor de efecto de campo", es obvio que está controlado por un campo, campo eléctrico puerta, mientras que el transistor bipolar está controlado por la corriente de base.
Actual y de campo, la diferencia aquí es cardinal. En los transistores bipolares, la corriente del colector se controla cambiando la corriente de control de la base, mientras que para controlar la corriente de drenaje de un transistor de efecto de campo, basta con cambiar el voltaje aplicado entre la puerta y la fuente, y no se requiere corriente de control como tal. necesario.
Reacción diferente al calentamiento.
Para los transistores bipolares, el coeficiente de temperatura de la resistencia colector-emisor es negativo (es decir, al aumentar la temperatura, la resistencia disminuye y la corriente colector-emisor aumenta). Para los transistores de efecto de campo, ocurre lo contrario: el coeficiente de temperatura de la fuente de drenaje es positivo (a medida que aumenta la temperatura, la resistencia aumenta y la corriente de la fuente de drenaje disminuye).
Una consecuencia importante de este hecho es que si los transistores bipolares no se pueden conectar simplemente en paralelo (para aumentar la potencia), sin resistencias de ecualización de corriente en el circuito del emisor, con los transistores de efecto de campo todo es mucho más sencillo, gracias a la conexión automática. Equilibrio de la corriente de drenaje-fuente cuando cambia la carga/calefacción: se pueden encender libremente en paralelo sin resistencias de ecualización. Esto se debe a propiedades de temperatura unión pn y un semiconductor simple de tipo p o n. Por esta razón, es mucho menos probable que los transistores de efecto de campo experimenten un descontrol térmico de salida irreversible que los bipolares.
Por lo tanto, para lograr corrientes de conmutación elevadas, se puede montar fácilmente un interruptor compuesto a partir de varios transistores de efecto de campo paralelos, que en la práctica se utiliza en muchos lugares, por ejemplo en inversores.
Pero los transistores bipolares no pueden simplemente conectarse en paralelo; definitivamente necesitan resistencias ecualizadoras de corriente en los circuitos emisores. De lo contrario, debido a un desequilibrio en un potente interruptor compuesto, uno de los transistores bipolares tarde o temprano experimentará una ruptura térmica irreversible. Las claves compuestas de campo apenas se ven afectadas por este problema. Estas características características térmicas están asociados con las propiedades de un canal n y p simple y de una unión p-n, que son radicalmente diferentes.
Áreas de aplicación de estos y otros transistores.
Las diferencias entre los transistores de efecto de campo y los bipolares separan claramente sus áreas de aplicación. Por ejemplo, en los microcircuitos digitales, donde se requiere un consumo mínimo de corriente en el estado de espera, los transistores de efecto de campo se utilizan mucho más en la actualidad. En los microcircuitos analógicos, los transistores de efecto de campo ayudan a lograr una alta linealidad de la característica de amplificación en una amplia gama de voltajes de suministro y parámetros de salida.
Los circuitos del tipo carrete a carrete hoy en día se implementan convenientemente con transistores de efecto de campo, porque la oscilación de voltaje de las salidas como señales para las entradas se logra fácilmente, coincidiendo casi con el nivel de voltaje de suministro del circuito. Dichos circuitos pueden simplemente conectar la salida de uno a la entrada de otro, y no se necesitan limitadores de voltaje ni divisores de resistencia.
En cuanto a los transistores bipolares, sus aplicaciones típicas siguen siendo: amplificadores, sus etapas, moduladores, detectores, inversores lógicos y microcircuitos lógicos de transistores.
El campo gana, ¿por qué?
Ejemplos destacados de dispositivos basados en transistores de efecto de campo son los relojes de pulsera electrónicos y los mandos a distancia. mando a distancia para televisión. Gracias al uso de estructuras CMOS, estos dispositivos pueden funcionar durante varios años con una fuente de alimentación en miniatura: una batería o un acumulador, porque prácticamente no consumen energía.
Actualmente, los transistores de efecto de campo se encuentran cada vez más. amplia aplicación en varios dispositivos de radio, donde ya están reemplazando con éxito a los bipolares. Su uso en dispositivos de transmisión de radio permite aumentar la frecuencia de la señal portadora, proporcionando a dichos dispositivos una alta inmunidad al ruido.
Al tener una baja resistencia de encendido, se utilizan en las etapas finales de los amplificadores de potencia para frecuencias de audio de alta potencia (Hi-Fi), donde nuevamente reemplazan con éxito a los transistores bipolares e incluso a las válvulas de vacío.
en dispositivos energía alta Por ejemplo, en los arrancadores suaves de motores, los transistores bipolares de puerta aislada (IGBT), dispositivos que combinan transistores bipolares y de efecto de campo, ya están reemplazando con éxito a los tiristores.
Vídeo, la diferencia entre un transistor de efecto de campo y uno bipolar