Transistores en saturación: luces intermitentes

Hoy os traigo un circuito de práctica sencillo que se basa en poner en saturación dos transistores alternadamente para encender dos LEDs. Es un bonito sustituto al típico 555, y además da unos tiempos bastante similares en alto y bajo. Ya de paso ponemos a prueba la carga y descarga de los condensadores.

Analicemos el circuito porque es entretenido. Lo que ocurre es que los LED se encienden alternadamente. Los transistores pasan de corte a saturación (lo que llamamos conmutación), también alternadamente. Y todos sabemos, o deberíamos saber, que cuando los condensadores alcanzan la carga máxima, se comportan como circuitos abiertos.

Lo que viene a ocurrir es que un condensador se carga mientras otro se descarga, ésto sucede tan rápido que el transitorio es despreciable. Supongamos que el de la derecha está cargado, comportándose así como un interruptor abierto. En ése caso tendremos el transistor de la izquierda con una resistencia en base de 100K, y en su colector, una resistencia de 1k, suficiente para saturarlo. Mientras tanto, el otro transistor recibe una corriente muy baja (casi nula) en su base, de forma que está en corte, no dejando pasar corriente a través de él. Ésta corriente es desviada por la rama del LED derecho, que se enciende.

Lo mejor de éste circuito es su bajo consumo.

¿Y qué consumo tiene? Resulta que tenemos conocimientos de sobra para analizar el circuito equivalente y sacar conclusiones.

Como ya he señalado en el esquemático, hay 3 corrientes por calcular. Empezaremos por comprobar que el transistor está en saturación. Supondremos que Vbe=0.7V, B=250 y Vcesat=0.2V. Tomaremos primero la hipótesis de que está en conducción.

En la base hay una resistencia de 100kohm:

Ib = (5 – 0.7)/100 = 43uA

Calculamos la corriente de colector:

Ic = 250 * 43ua = 10.75 mA

Con éste dato calculamos Vce:

5 – 1k*10.75mA – Vce = 0

Vce = -5.75V < Vcesat

Por lo  tanto, el transistor está en saturación y su modelo equivalente es el de una batería de 0.2 V con el positivo en el colector. Recalculamos Ic:

Ic = (5-0.2)/1 = 4.8 mA

Ahora calculamos la rama del LED:

Iled = (5-1.5)/(1+0.22) = 2.858 mA

La corriente total que consume éste circuito es:

I = Iled + Ib + Ic = 7.71 mA

Aquí un vídeo de su (buen) funcionamiento. Se puede ver que lo he alimentado con mi fuente simétrica de 12V, luego un 7805, las 6 resistencias, 2 condensadores, 2 LED y 2 transistores

Aplicaciones no lineales

Éste punto de funcionamiento de los amplificadores operacionales se basa en que no hay realimentación negativa, o bien la realimentación es positiva. En éste caso, está trabajando en saturación positiva o negativa. Recordemos:

Vs = Av(V+ – V-)

Cuando la entrada no inversora V+ es mayor, el valor es positivo; con ganancia infinita, la salida es la tensión de saturación, y cuando el valor es negativo, la salida es la tensión de saturación negativa. Ésto nos da la posibilidad de hacer trabajar a un amplificador operacional como comparadores de tensión, a muy altas frecuencias y con muchas utilidades.

No hay unos circuitos predefinidos para éstas aplicaciones porque cada circuito es un mundo y las necesidades son distintas. Pero os voy a introducir más o menos lo que hay y cómo se hace.

El de la izquierda y el centro se llaman detectores de paso por cero. Una de las entradas está puesta a tierra, de forma que la basculación se hace cuando la otra entrada pasa por 0 hasta cualquier valor. La diferencia es el orden de las entradas. En el de la izquierda, está puesta a tierra la inversora, por lo que la señal de  salida es directa. En el del centro, está puesta a tierra la no inversora, por lo que la señal de salida es inversa.

El de la derecha tiene la entrada inversora conectada a un poteciómetro que hace de divisor de tensión, lo que aplica al circuito un nivel de referencia. Ésto hace que desplazando el cursor del potenciómetro apliquemos un nivel distinto, de forma que ya no es un detector de paso por cero, sino de paso por la tensión de referencia que se aplica en la entrada inversora. La basculación se hará cuando la señal pase por dicho nivel.  También se puede hacer al contrario y aplicar la referencia a la entrada no inversora, siendo la salida inversa.

Sólo hay un ligero problema. Éstas aplicaciones a veces se usan para comparar señales muy sucias. Si a una señal le da por pasar varias veces por el nivel de referencia, el amplificador operacional hará caso y variará, y si lo hace más rápido, también. Pero el amplificador operacional no es omnipotente y no puede con ciertas frecuencias, o a nosotros no nos interesa que haga esas cosas, por ejemplo, en el momento de arrancar un motor o de enviar una señal dada por un sensor. Todo el circuito se volvería loco. Entonces, ¿por qué no aplicar 2 niveles de referencia? Ésto sería de forma que al pasar por uno de los niveles, el circuito bascula, pero al volver a pasar por el mismo, no haría nada. Tendría que pasar por el siguiente nivel para volver a bascular, y volver a pasar por el nivel dicho anteriormente para que vuelva a bascular. Entonces nos queda una zona vacía en la que la señal puede moverse libremente sin volvernos loco el circuito. Es el llamado comparador con histéresis o trigger-Schmitt.

Las fórmulas vienen dadas en la imagen, pero como digo siempre, es mejor aprender a analizarlo porque, por ejemplo, podríamos poner en R1 un nivel de referencia en vez de tierra. Ya la hemos liado. De todas formas será uno de los ejemplos de análisis que haré próximamente.

En la función de transferencia se ve como la señal aumenta hasta llegar a cierto nivel (siguiendo las flechas hacia la derecha). En éste punto bascula y el nivel de salida se hace negativo. La señal sigue aumentando y la salida sigue negativa. Ahora la señal decrece y sigue las flechas hacia la izquierda. Pasa por el primer nivel de referencia. Nada. Llega al segundo y bascula positivamente. Si sigue decreciendo, seguirá en saturación positiva.

Otras aplicaciones son:

El circuito generador de onda cuadrada, también llamado oscilador astable. Utiliza el comparador con histéresis para comparar la tensión de carga de un condensador con los niveles que le damos.

También tenemos un generador de onda senoidal, que ni yo sé (todavía) cómo funciona, ni lo he visto funcionar.

Y ésto es todo, y me repito aunque sea cansino que si tenéis cualquier duda, corrección, o necesitáis que os eche una mano, escribáis un comentario. Gracias por su visita y le esperamos de vuelta.