Utilizando un transistor como interruptor, ¿por qué la carga está siempre en el colector?

Question

Encuentro en los circuitos de referencia que cuando el BJT se utiliza como interruptor cuando se va a utilizar en modo de saturación, la carga está siempre en el colector. Para NPN el emisor está conectado a tierra, para PNP el emisor está conectado a la fuente de alimentación así:

1. ¿Por qué la carga está siempre en el colector y no al revés?
2. Dado que el transistor sólo actúa como interruptor, ¿se puede utilizar también un FET en lugar de un BJT?
3. si se utiliza un BJT para multiplexar varios visualizadores de 7 segmentos, la corriente de los 7 segmentos deberá pasar por un transistor. Por lo tanto, al utilizar discreto transistor por unidad de 7 segmentos en modo de saturación, ¿darán lugar los diferentes valores de ganancia de corriente de los distintos transistores a diferencias en el brillo de las pantallas de 7 segmentos?

Answer 1

Una razón sencilla para tener la carga en el colector es que mantiene la corriente de base independiente de la carga. Así es mucho más fácil mantener el transistor saturado de forma fiable.

Si la carga está en el emisor, entonces la corriente de base depende de la carga. Si la carga es un LED, entonces la tensión que tienes que aplicar a la base del transistor para alcanzar la corriente necesaria sube por la tensión de avance del LED.

Si la carga es un motor y está conectado al emisor, entonces la corriente de base depende del motor, y variará por todas partes a medida que el motor gire.

Answer 2

No es necesario utilizar un emisor conectado a tierra, pero considere la alternativa

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Un transistor utilizado como conmutador (en saturación) suele tener una tensión colector-emisor de unos 0,2 voltios. Dado que la tensión base-emisor será de unos 0,7 voltios, Vs debe estar al menos 0,5 voltios por encima de Vcc, más la tensión que sea necesaria a través de R2 para que la corriente de base alcance el nivel requerido. Y esa corriente de base será significativa. Independientemente de la ganancia "ordinaria", un transistor NPN en saturación mostrará una ganancia mucho menor, siendo la regla típica una ganancia de 10 para asegurar una Vce baja. Así que el circuito tal como se muestra no se puede utilizar sin una segunda fuente de alimentación más alta, que no es lo que se dice conveniente.

Esto, a su vez, responde a su tercera pregunta. Dado que el transistor estará (según los estándares lineales normales) muy sobrecargado, las variaciones de ganancia entre transistores no tendrán normalmente ningún efecto obvio. En el circuito mostrado, un aumento del voltaje del 50% hará que el voltaje del transistor aumente de 0,2 voltios a 0,3 voltios, lo que reducirá el voltaje de carga de 4,8 a 4,7 voltios, y para las pantallas y los LED y demás esto será imperceptible.

En cuanto a la pregunta 2, la respuesta es definitivamente sí. En muchos aspectos, los FET y los MOSFET son más fáciles de controlar, ya que requieren muy poca corriente de puerta (excepto durante las transiciones). Y, de hecho, CMOS es la tecnología dominante para microprocesadores y chips gráficos, con potencialmente millones de transistores por chip. En realidad, las CPU y los circuitos integrados gráficos de gama alta tienen hoy en día entre 1.000 y 2.000 millones de transistores. Intentar hacerlo con BJT sería sencillamente imposible debido a los requisitos actuales.

Answer 3

Hay muchos casos en los que es mejor colocar la carga en el emisor. Por ejemplo:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Aquí, un conjunto multiplexado de LEDs se controla mediante seguidores de emisor para los controladores de lado alto. (con un display de 8 dígitos de 7 segmentos + DP tendrías 8 del lado alto, 8 del lado bajo y 8 resistencias en serie con este último) No son necesarias resistencias de base, ahorrando espacio y piezas.

O aquí:

simular este circuito

En este caso, una puerta lógica acciona directamente una bobina de relé de 4,5 VCC sin necesidad de componentes adicionales.

No se obtiene ganancia de tensión con un seguidor de emisor, pero sí se obtiene ganancia de corriente, sin inversión, y a veces eso es exactamente lo que se necesita.

Los seguidores de emisor generalmente no permiten que el transistor se sature (es posible conduciendo la base con un voltaje más alto que el colector, y añadiendo una resistencia de base, pero no puede suceder si la base se conduce desde el mismo voltaje o menos que el colector.

Esto significa una caída de al menos 0,6 V a través del transistor, lo que no siempre es tan malo, y como el transistor no se satura, conmuta más rápido. Los circuitos de conmutación de emisor comunes pueden empujar el transistor profundamente en la saturación, con tal vez 1/10 de la Vce, lo que minimiza el calentamiento.

Answer 4

1. No siempre. Hay circuitos llamados "seguidores de emisor". No amplifican la tensión, pero sí la corriente de entrada.

2. Sí, para la conmutación también se utilizan FET, de canal n para la conmutación en el lado bajo y de canal p para la conmutación en el lado alto.

3. Si pone un BJT en modo de saturación, las diferentes ganancias de corriente no importan siempre que suministre suficiente corriente de base para mantener el transistor en saturación para la ganancia más baja especificada por el fabricante.

Si controlas una pantalla LED de 7 segmentos, no controlas la corriente controlando el transistor. Usted controla la corriente / brillo mediante el uso de una resistencia limitadora de corriente calculada, y la modulación de ancho de pulso de interruptores saturados. Este enfoque elimina la variabilidad del transistor.