Question

Se requiere para un transistor 2n2222 que un ingeniero realice cualquiera de las siguientes aplicaciones: ✓ Si el ingeniero pertenece al grupo impar debe diseñar un circuito que permita accionar un motor cuando se oprima un pulsador. ✓ Si el ingeniero pertenece al grupo par debe diseñar un circuito que permita detectar la temperatura si incrementa prender un motor.

Answer 1

En este ejercicio vamos a desarrollar los dos proyectos solicitados, ambos en base al transistor 2N2222. cuyos parámetros son:

VCEO=30V, máxima tensión colector-emisor.

IC(max)=800mA, máxima corriente de colector.

hFE(min)= 35, mínima ganancia de corriente en corriente continua.

Vamos a empezar por el proyecto para grupos impares, el cual consiste en encender un motor cuando se oprime un pulsador.

Transductor de entrada:

El transductor es el elemento encargado de convertir en una señal eléctrica la variable física de interés, en este caso la presión de un pulsador, por ende el transductor será el pulsador en cuestión. El circuito de entrada se ve en la imagen "impar", la imagen con el nombre "transductor", la señal eléctrica se obtiene entre R1 y el pulsador, será 12V ó un 1 lógico si el pulsador está accionado y 0V ó un 0 lógico si no lo está, R1 es un resistor pull-down que asegura un 0 lógico si el pulsador no está apretado.

Etapa de salida:

Aquí entra en escena el transistor, en este caso funcionará en los modos de corte y saturación, en el modo de corte el transistor actúa como llave abierta, no conduciendo corriente y ocurre cuando ninguna de sus junturas está polarizada en directa. Esto lo logramos haciendo que la tensión base-emisor sea 0V, lo cual lograremos si el pulsador no está accionado. En el modo de saturación, ambas junturas están polarizadas en directa y el transistor actúa como llave cerrada, esta condición la logramos cuando la corriente que entra por la base es mayor que la máxima que el transistor puede amplificar, es decir:

$I_B>\frac{I_c}{h_{FE}(min)}$

En esta condición tenemos:

$V_{CE(sat)}=0,2V\\V_{BE}=0,6V\\V_{CV}=V_{BE}-V_{CE{sat}}=0,6V-0,2V=0,4V$

Como vamos a accionar un motor, la salida debe ser un relé, el relé energizado consume una corriente de aproximadamente 40mA, tenemos:

$I_c=40mA\\I_B>\frac{I_C}{h_{FE}min}=\frac{40mA}{35}=1,14mA$

En la base del transistor ponemos una resistencia limitadora de corriente:

$I_B>1,14mA=> R_2<\frac{12V-V_{BE}}{1,14mA}=>R_2<\frac{12V-0,6V}{1,14mA} =10k$

Tomamos R2=4,7kΩ, y para unificar valores tomamos el mismo valor para R1.

El circuito se ve en la figura "impar" y es el que lleva el epígrafe "circuito con pulsador".

Este circuito como está encenderá el motor si el pulsador es accionado, apagándose si soltamos el pulsador. Si lo que queremos es que con un toque de botón quede encendido aplicamos lo que se llama retención, consistente en un lazo de realimentación colocado entre el contacto del relé y el pulsador, que una vez soltado este último mantiene cerrado el circuito de entrada (gracias a que el relé continua cerrado un tiempo infinitesimal después de soltado el pulsador), un segundo pulsador normal cerrado permite apagar el motor, el circuito con esta mejora se aprecia en la imagen "impar", circuito que lleva el epígrafe "final".

En paralelo al relé un diodo de free-wheeling protege al transistor de la sobretensión que el relé crea cuando es desconectado. En cuanto al motor, hay que tener en cuenta que típicamente los relés soportan 10A de corriente en sus contactos, y que durante el encendido el motor consume aproximadamente 7 veces la corriente nominal para romper la inercia. Tenemos:

$I_{mot(max)}=\frac{I_{rele(max)}}{7}=\frac{10A}{7}=1,43A$

Por encima de esa corriente o si el motor es trifásico, el relé deberá atacar a la bobina de un contactor seleccionado a tal efecto.

Ahora seguimos con el grupo par, consistente en un circuito que encienda un motor ante un incremento de temperatura.

Transductor de entrada:

Como solo se va a usar un transistor, el sensor elegido es un Resistor de Coeficiente Negativo de Temperatura o NTC (una forma más sofisticada es con el sensor LM35 y un comparador, pero requiere añadir un amplificador operacional). El NTC varía su resistencia con la temperatura de acuerdo a la siguiente ecuación:

$R=R_0.e^{\beta(\frac{1}{T}-\frac{1}{T_0})}$

Donde R0 es la resistencia a la temperatura de referencia, beta es una constante que depende del termistor, T0 la temperatura de referencia (tipicamente 25°C) y T la temperatura a la que se quiere medir. El circuito de entrada se aprecia en la figura "impar", la que lleva el epígrafe "transductor", cuando incremente la temperatura el termistor baja su resistencia y la tensión entre este y el potenciómetro aumenta, el potenciómetro permite ajustar el punto de disparo para la etapa de salida.

Etapa de salida:

La etapa de salida es similar al del caso anterior, con las mismas consideraciones pero sin el lazo de retención, de este modo el motor permanecerá encendido mientras la temperatura esté por encima del punto de disparo. El circuito definitivo se ve en la imagen "par" la que lleva el epígrafe "final".