Un transistor puede funcionar como un interruptor electrónico para controlar la corriente en un circuito. Utiliza una pequeña señal para encender o apagar cargas más grandes, lo que lo hace útil en muchos sistemas electrónicos. Este artículo explica cómo se utilizan los transistores BJT y MOSFET en la conmutación, incluido el control de lado bajo y alto, las resistencias de base y puerta, la protección de carga inductiva y la interfaz de microcontroladores en detalle.
Descripción general de la conmutación de transistores
Un transistor es un dispositivo semiconductor que puede funcionar como un interruptor electrónico para controlar el flujo de corriente en un circuito. A diferencia de los interruptores mecánicos que abren o cierran físicamente un camino, un transistor realiza la conmutación electrónicamente utilizando una señal de control aplicada a su base (BJT) o puerta (FET). En aplicaciones de conmutación, el transistor funciona solo en dos regiones principales: la región de corte (estado OFF), donde no hay flujo de corriente y el transistor se comporta como un interruptor abierto, y la región de saturación (estado ON), donde la corriente máxima fluye con una caída de voltaje mínima a través de ella, actuando como un interruptor cerrado.
Estados de conmutación del transistor
| Región | Estado del conmutador | Descripción | Uso en el cambio |
|---|---|---|---|
| Corte | APAGADO | Sin flujos de corriente (circuito abierto) | Usado |
| Activo | Lineal | Conducción parcial | Evitar (amplificadores) |
| Saturación | EN | Flujos de corriente máximos (ruta cerrada) | Usado |
Aplicaciones de transistores en circuitos de conmutación
Control de relés y solenoides
Los transistores impulsan relés y solenoides al proporcionar la corriente de bobina requerida que los microcontroladores no pueden suministrar directamente. Se utiliza un diodo flyback para la protección contra picos de voltaje.
Conmutación de LED y lámpara
Los transistores conmutan los LED y las lámparas pequeñas utilizando señales de control bajas mientras protegen el circuito de control del exceso de corriente. Se utilizan en indicadores, pantallas y control de iluminación.
Controladores de motor
Los transistores accionan los motores de CC actuando como interruptores de alta corriente. Los BJT de potencia o MOSFET se utilizan para un control confiable en robótica, ventiladores, bombas y sistemas de automatización.
Circuitos de administración de energía
Los transistores se utilizan en la conmutación, protección y regulación de energía electrónica. Aparecen en cargadores de baterías, convertidores de CC y circuitos automáticos de control de potencia.
Interfaces de microcontroladores
Los transistores interactúan con microcontroladores con cargas de alta potencia. Amplifican las señales lógicas débiles y permiten el control de relés, motores, zumbadores y LED de alta corriente.
Transistor NPN como interruptor
Un transistor NPN se puede usar como un interruptor electrónico para controlar cargas como LED, relés y motores pequeños utilizando una señal de baja potencia de dispositivos como sensores o microcontroladores. Cuando el transistor funciona como un interruptor, funciona en dos regiones: corte (estado OFF) y saturación (estado ON). En la región de corte, no fluye corriente base y el transistor bloquea la corriente en el lado del colector, por lo que la carga permanece apagada. En la región de saturación, fluye suficiente corriente base para encender completamente el transistor, lo que permite que la corriente pase del colector al emisor y alimente la carga.
Para usar un transistor NPN como interruptor, se requiere una resistencia de base (RB) para limitar la corriente que ingresa a la base. La corriente base se calcula utilizando:
donde IC es la corriente a través de la carga, y βforzado es un valor de ganancia reducido utilizado para una conmutación segura, β/10. La resistencia base se calcula mediante:
donde VIN es el voltaje de control y VBE es el voltaje base-emisor (aproximadamente 0,7 V para transistores de silicio). Estas fórmulas ayudan a garantizar que el transistor reciba suficiente corriente de base para cambiar correctamente sin dañarse.
Transistor PNP como interruptor
Un transistor PNP también se puede usar como interruptor, pero se aplica en conmutación de lado alto, donde la carga está conectada a tierra y el transistor controla la conexión al voltaje de suministro positivo. En esta configuración, el emisor del transistor PNP está conectado a +VCC, el colector está conectado a la carga y la carga se conecta a tierra. El transistor se enciende cuando se baja la base (por debajo del voltaje del emisor) y se apaga cuando se tira de la base hacia arriba (cerca de +VCC). Esto hace que los transistores PNP sean adecuados para circuitos de conmutación donde la carga debe conectarse directamente al riel positivo, como en el cableado automotriz y los sistemas de distribución de energía.
Para limitar la corriente que fluye hacia la base, se requiere una resistencia de base (RB). La corriente base se calcula utilizando:
donde IC es la corriente del colector y βforzado se toma como una décima parte de la ganancia típica del transistor para una conmutación confiable. El valor de la resistencia base se calcula mediante:
En los transistores PNP, VBE es aproximadamente -0,7 V cuando está polarizado hacia adelante. La señal de control debe ser lo suficientemente baja como para polarizar hacia adelante la unión base-emisor y encender el transistor.
Resistencia de base en conmutación BJT
Cuando se usa un transistor BJT como interruptor, se requiere una resistencia de base (RB) para controlar la corriente que ingresa al terminal de base. La resistencia protege el transistor y la fuente de control, como un pin del microcontrolador, de demasiada corriente. Sin esta resistencia, la unión base-emisor podría consumir una corriente excesiva y dañar el transistor. La resistencia de la base también garantiza que el transistor cambie correctamente entre los estados APAGADO y ENCENDIDO.
Para encender completamente el transistor (modo de saturación), se debe proporcionar suficiente corriente base. El IB de corriente base se calcula utilizando el IC de corriente del colector y un valor de ganancia seguro llamado beta forzado:
En lugar de usar la ganancia normal del transistor (beta), se usa un valor más bajo llamado beta forzada por seguridad:
Después de calcular la corriente base, el valor de la resistencia base se encuentra usando la Ley de Ohm:
Aquí, VIN es el voltaje de control y VBE es el voltaje base-emisor, alrededor de 0,7 V para BJT de silicio.
Conmutación de MOSFET en control de nivel lógico
Los MOSFET se utilizan como interruptores electrónicos en los circuitos modernos porque ofrecen una mayor eficiencia y una menor pérdida de potencia en comparación con los BJT. Un MOSFET funciona aplicando un voltaje a su terminal de compuerta, que controla el flujo de corriente entre el drenaje y la fuente. A diferencia de los BJT que requieren corriente de base continua, los MOSFET funcionan con voltaje y casi no consumen corriente en la puerta, lo que los hace adecuados para sistemas alimentados por batería y basados en microcontroladores.
Los MOSFET son los preferidos para aplicaciones de conmutación porque admiten velocidades de conmutación más rápidas, un mayor manejo de corriente y una resistencia de encendido RDS(on) muy baja, lo que minimiza el calentamiento y la pérdida de energía. Se utilizan comúnmente en controladores de motores, tiras de LED, relés, convertidores de potencia y sistemas de automatización. Los MOSFET de nivel lógico están especialmente diseñados para encenderse completamente a voltajes de puerta bajos, 5 V o 3,3 V, lo que los hace ideales para la interfaz directa con microcontroladores como Arduino, ESP32 y Raspberry Pi sin necesidad de un circuito controlador de compuerta.
Los MOSFET de nivel lógico de uso común incluyen:
• IRLZ44N: adecuado para conmutar cargas de alta potencia, como motores de CC, relés y tiras de LED.
• AO3400: MOSFET SMD compacto adecuado para aplicaciones de conmutación digital de baja potencia.
• IRLZ34N: se utiliza para cargas de corriente media a alta en robótica y automatización.
Conmutación de lado bajo y lado alto
Conmutación del lado bajo
En la conmutación de lado bajo, el transistor se coloca entre la carga y la tierra. Cuando el transistor se enciende, completa el camino a tierra y permite que la corriente fluya a través de la carga. Este método es simple y fácil de usar, por lo que es común en circuitos digitales y basados en microcontroladores. La conmutación del lado bajo se realiza mediante transistores NPN o MOSFET de canal N porque son fáciles de manejar con una señal de control referenciada a tierra. Este método se utiliza para tareas como la conmutación de LED, relés y motores pequeños.
Conmutación de lado alto
En la conmutación de lado alto, el transistor se coloca entre la fuente de alimentación y la carga. Cuando el transistor se enciende, conecta la carga al suministro de voltaje positivo. Este método se utiliza cuando la carga debe permanecer conectada a tierra por razones de seguridad o de referencia de señal. La conmutación de lado alto se realiza mediante transistores PNP o MOSFET de canal P. Sin embargo, es un poco más difícil de controlar porque la base o la puerta deben impulsarse a un voltaje más bajo que el suministro para encenderlo. La conmutación de lado alto se usa comúnmente en circuitos automotrices, sistemas alimentados por baterías y aplicaciones de control de energía.
Protección de conmutación de carga inductiva
Cuando se usa un transistor para controlar cargas inductivas como motores, relés, solenoides o bobinas, necesita protección contra picos de voltaje. Estas cargas acumulan energía en un campo magnético mientras la corriente fluye a través de ellas. En el momento en que el transistor se apaga, el campo magnético colapsa y libera esa energía como un pico repentino de alto voltaje. Sin protección, este pico puede dañar el transistor y afectar a todo el circuito.
Para evitar esto, se agregan componentes de protección a través de la carga. El más común es un diodo flyback, como 1N4007, conectado en reversa a través de la bobina. Este diodo le da a la corriente un camino seguro para fluir cuando el transistor se apaga, deteniendo el pico de voltaje. En circuitos donde se debe controlar el ruido eléctrico, se usa un amortiguador RC (una resistencia y un condensador en serie) para reducir los pulsos agudos. Para los circuitos que manejan voltajes más altos, se utiliza un diodo TVS (supresión de voltaje transitorio) para limitar picos peligrosos y proteger las partes electrónicas.
Interfaz de microcontrolador con conmutación de transistores
Los microcontroladores como Arduino, ESP32 y STM32 solo pueden proporcionar una pequeña corriente de salida desde sus pines GPIO. Esta corriente está limitada a alrededor de 20-40 mA, lo que no es suficiente para alimentar dispositivos como motores, relés, solenoides o LED de alta potencia. Para controlar estas cargas de corriente más altas, se utiliza un transistor entre el microcontrolador y la carga. El transistor funciona como un interruptor electrónico que permite que una pequeña señal del microcontrolador controle una corriente mayor de una fuente de alimentación externa.
Al elegir un transistor, asegúrese de que pueda encenderse completamente con el voltaje de salida del microcontrolador. Los MOSFET de nivel lógico son una buena opción para cargas más grandes porque tienen baja resistencia a ON y se mantienen fríos durante la operación. Los BJT como el 2N2222 están bien para cargas más pequeñas.
| Microcontrolador | Voltaje de salida | Transistor recomendado |
|---|---|---|
| Arduino UNO | 5V | 2N2222 (BJT) o IRLZ44N (N-MOSFET) |
| ESP32 | 3,3 V | AO3400 (N-MOSFET) |
| STM32 | 3,3 V | IRLZ34N (N-MOSFET) |
Conclusión
Los transistores son interruptores electrónicos confiables que se utilizan para controlar LED, relés, motores y circuitos de potencia. Al usar la base o resistencia de puerta correcta, agregar protección flyback para cargas inductivas y elegir el método de conmutación correcto, los circuitos se vuelven seguros y eficientes. Comprender la conmutación de transistores ayuda a diseñar sistemas electrónicos estables con el control y la protección adecuados.
Preguntas frecuentes [FAQ]
¿Por qué elegir un MOSFET en lugar de un BJT para el cambio?
Un MOSFET cambia más rápido, tiene una menor pérdida de potencia y no necesita corriente de puerta continua.
¿Qué causa que un transistor se sobrecaliente en los circuitos de conmutación?
El calor es causado por la pérdida de energía durante la conmutación, calculada como P = V × I, si el transistor no está completamente encendido.
¿Qué es RDS(on) en un MOSFET?
Es la resistencia ON entre el drenaje y la fuente. Un RDS más bajo (encendido) significa menos calor y mejor eficiencia.
¿Puede un transistor conmutar cargas de CA?
No directamente. Un solo transistor funciona solo para CC. Para cargas de CA, se utilizan SCR, TRIAC o relés.
¿Por qué no se debe dejar flotando la puerta o la base?
Una puerta o base flotante puede captar ruido y provocar una conmutación aleatoria, lo que lleva a un funcionamiento inestable.
¿Cómo se puede proteger una puerta MOSFET de alto voltaje?
Use un diodo zener entre la puerta y la fuente para sujetar el voltaje adicional y evitar daños en la puerta.