Nivel: Básico. Compare la eficiencia de conmutación y los requisitos de excitación de los transistores BJT y MOSFET.
Objetivo y caso de uso
Usted construirá dos circuitos de conmutación en paralelo utilizando un BJT (Transistor de Unión Bipolar) y un MOSFET (Transistor de Efecto de Campo Metal-Óxido-Semiconductor) para alimentar cargas LED idénticas. Al medir las corrientes de entrada y las caídas de voltaje de salida, observará las diferencias fundamentales en cómo estos dispositivos controlan la potencia.
Por qué es útil:
* Eficiencia: Entender qué transistor disipa menos potencia (calor) en una aplicación específica.
* Interfaz con microcontroladores: Aprender qué dispositivo se conecta directamente a pines lógicos sin cargar el procesador.
* Requisitos de excitación: Distinguir entre dispositivos controlados por corriente (BJT) y dispositivos controlados por voltaje (MOSFET).
* Selección de componentes: Tomar decisiones informadas para controladores de motores, controles de relés y conmutación de alta potencia.
Resultado esperado:
* Corriente de entrada: El BJT consumirá una corriente medible en su Base, mientras que la corriente de Puerta (Gate) del MOSFET será cercana a cero.
* Caída de voltaje: Medirá diferentes caídas de voltaje (VCE vs VDS) a través de los transistores cuando estén encendidos (ON).
* Acción del LED: Ambos LEDs se encenderán, confirmando visualmente la acción de conmutación.
Público objetivo y nivel:
Estudiantes y aficionados que aprenden las características de los componentes.
Materiales
- V1: Fuente de alimentación de 5 V DC, función: Fuente de alimentación principal.
- S1: Interruptor de palanca SPST, función: Señal de control de entrada.
- Q1: Transistor NPN 2N2222, función: Interruptor controlado por corriente.
- M1: MOSFET de Canal N 2N7000, función: Interruptor controlado por voltaje.
- R1: Resistencia de 1 kΩ, función: Limitación de corriente para la Base del BJT.
- R2: Resistencia de 10 kΩ, función: Pull-down para la señal del interruptor.
- R3: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente para la carga del BJT (LED).
- R4: Resistencia de 330 Ω, función: Limitación de corriente para la carga del MOSFET (LED).
- D1: LED Rojo, función: Indicador de carga para el BJT.
- D2: LED Verde, función: Indicador de carga para el MOSFET.
Guía de conexionado
Construya el circuito siguiendo estas conexiones utilizando los nombres de nodo proporcionados.
Sección de señal de control:
* S1 se conecta entre el nodo VCC y el nodo CTRL.
* R2 se conecta entre el nodo CTRL y el nodo 0 (GND).
Circuito BJT (Controlado por corriente):
* R1 se conecta entre el nodo CTRL y el nodo B_BASE.
* La Base de Q1 se conecta al nodo B_BASE.
* El Emisor de Q1 se conecta al nodo 0.
* El Colector de Q1 se conecta al nodo B_COLL.
* El Ánodo de D1 se conecta al nodo VCC.
* El Cátodo de D1 se conecta al nodo D1_K.
* R3 se conecta entre el nodo D1_K y el nodo B_COLL.
Circuito MOSFET (Controlado por voltaje):
* La Puerta (Gate) de M1 se conecta directamente al nodo CTRL.
* La Fuente (Source) de M1 se conecta al nodo 0.
* El Drenador (Drain) de M1 se conecta al nodo M_DRAIN.
* El Ánodo de D2 se conecta al nodo VCC.
* El Cátodo de D2 se conecta al nodo D2_K.
* R4 se conecta entre el nodo D2_K y el nodo M_DRAIN.
Diagrama de bloques conceptual
Esquemático
+-------------------------------------------------------------------------+
| PRACTICAL CASE: COMPARING BJT AND MOSFET SWITCHES |
+-------------------------------------------------------------------------+
1. CONTROL SIGNAL GENERATION
(Creates the "CTRL" signal used by both circuits below)
VCC (5 V) --> [ S1: Switch ] --+--(Node: CTRL)
|
+--> [ R2: 10k Pull-Down ] --> GND
2. BJT CIRCUIT (Current Controlled)
(Requires Base Resistor R1 for current limiting)
[ Node: CTRL ] --(Signal)--> [ R1: 1k ] --(I_Base)--> [ Q1: Base ]
|
(Controls)
|
v
VCC --> [ D1: Red LED ] --> [ R3: 330 ] --> [ Q1: Collector ]
|
(Switch)
|
+--> [ Q1: Emitter ] --> GND
3. MOSFET CIRCUIT (Voltage Controlled)
(Gate connects directly; controlled by Voltage Field)
[ Node: CTRL ] --(Voltage)--------------------------> [ M1: Gate ]
|
(Controls)
|
v
VCC --> [ D2: Grn LED ] --> [ R4: 330 ] --> [ M1: Drain ]
|
(Switch)
|
+--> [ M1: Source ] --> GND
Mediciones y pruebas
Realice los siguientes pasos para validar las diferencias entre los transistores.
- Encendido (Switch ON): Cierre el interruptor S1 para aplicar 5 V al nodo de control. Asegúrese de que tanto D1 (Rojo) como D2 (Verde) se enciendan.
- Prueba 1: Corriente de entrada (Ganancia de corriente vs. Efecto de campo):
- Mida el voltaje a través de R1 (1 kΩ). Use la Ley de Ohm ($I = V/R$) para calcular la corriente de Base (IB) que fluye hacia Q1.
- Resultado: Debería calcular aproximadamente 4.3 mA.
- Intente medir la corriente que fluye hacia la Puerta (Gate) de M1.
- Resultado: Debería ser efectivamente 0 mA (típicamente nano-amperios), demostrando que el MOSFET es controlado por voltaje.
- Prueba 2: Eficiencia de conmutación (Caída de voltaje):
- Mida el voltaje desde el Colector al Emisor de Q1 (VCE).
- Resultado: Espere una caída de aproximadamente 0.1 V a 0.2 V (Voltaje de saturación).
- Mida el voltaje desde el Drenador (Drain) a la Fuente (Source) de M1 (VDS).
- Resultado: Para corrientes pequeñas con un 2N7000, esta caída es a menudo muy baja (milivoltios), dependiente de Iload × Rdson.
Netlist SPICE y simulación
Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)
* Practical case: Comparing BJT and MOSFET Switches
.width out=256
* --- Power Supply ---
* V1: Main 5V DC supply
V1 VCC 0 DC 5
* --- Control Signal Section ---
* S1: SPST toggle switch connecting VCC to CTRL.
* Modeled as a voltage-controlled switch (S1) driven by a behavioral pulse source (V_SW_ACT)
* to simulate the user pressing the button periodically.
V_SW_ACT SW_CTRL 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 100u 200u)
S1 VCC CTRL SW_CTRL 0 SWITCH_MOD
* R2: Pull-down resistor (10k) ensures CTRL goes to 0V when switch is open
R2 CTRL 0 10k
* --- BJT Circuit (Current Controlled) ---
* R1: Current limiting resistor for Base (1k)
R1 CTRL B_BASE 1k
* ... (truncated in public view) ...Copia este contenido en un archivo .cir y ejecútalo con ngspice.
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* Practical case: Comparing BJT and MOSFET Switches
.width out=256
* --- Power Supply ---
* V1: Main 5V DC supply
V1 VCC 0 DC 5
* --- Control Signal Section ---
* S1: SPST toggle switch connecting VCC to CTRL.
* Modeled as a voltage-controlled switch (S1) driven by a behavioral pulse source (V_SW_ACT)
* to simulate the user pressing the button periodically.
V_SW_ACT SW_CTRL 0 PULSE(0 5 10u 1u 1u 100u 200u)
S1 VCC CTRL SW_CTRL 0 SWITCH_MOD
* R2: Pull-down resistor (10k) ensures CTRL goes to 0V when switch is open
R2 CTRL 0 10k
* --- BJT Circuit (Current Controlled) ---
* R1: Current limiting resistor for Base (1k)
R1 CTRL B_BASE 1k
* Q1: 2N2222 NPN Transistor
* Syntax: Qname Collector Base Emitter Model
Q1 B_COLL B_BASE 0 2N2222
* BJT Load Indicator: Red LED (D1) and Resistor (R3)
* D1 Anode connects to VCC, Cathode to D1_K
D1 VCC D1_K LED_RED
* R3 connects between D1_K and BJT Collector
R3 D1_K B_COLL 330
* --- MOSFET Circuit (Voltage Controlled) ---
* M1: 2N7000 N-Channel MOSFET
* Syntax: Mname Drain Gate Source Bulk Model
M1 M_DRAIN CTRL 0 0 2N7000
* MOSFET Load Indicator: Green LED (D2) and Resistor (R4)
* D2 Anode connects to VCC, Cathode to D2_K
D2 VCC D2_K LED_GREEN
* R4 connects between D2_K and MOSFET Drain
R4 D2_K M_DRAIN 330
* --- Component Models ---
* Switch Model (Threshold 2.5V, Low On-Resistance)
.model SWITCH_MOD SW(Vt=2.5 Ron=0.1 Roff=10Meg)
* BJT Model (Standard 2N2222 parameters)
.model 2N2222 NPN(IS=1E-14 BF=200 VAF=100 IKF=0.3 XTB=1.5 BR=3 CJC=8p CJE=25p TR=46n TF=411p RC=0.3 RE=0.2)
* MOSFET Model (2N7000 approximation Level 1)
.model 2N7000 NMOS(Level=1 VTO=2.1 KP=0.12 LAMBDA=0.01 RD=1 RS=1 CGSO=10p CGDO=10p CGBO=10p)
* LED Models (Generic Red and Green)
* Red LED approx 1.8V drop
.model LED_RED D(IS=1e-20 N=2.0 RS=5 BV=5 IBV=10u CJO=10p)
* Green LED approx 2.1V drop
.model LED_GREEN D(IS=1e-22 N=1.5 RS=5 BV=5 IBV=10u CJO=10p)
* --- Analysis Directives ---
.op
* Transient analysis: 1us step, 500us duration (captures 2.5 cycles of 200us pulse)
.tran 1u 500u
* Output Print Directives
* Order: Input (CTRL), BJT Output (Collector), MOSFET Output (Drain)
.print tran V(CTRL) V(B_COLL) V(M_DRAIN)
.endResultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (638 rows)
Index time v(ctrl) v(b_coll) v(m_drain) 0 0.000000e+00 4.995044e-03 3.947532e+00 4.062211e+00 1 1.000000e-08 4.995044e-03 3.947532e+00 4.062211e+00 2 2.000000e-08 4.995044e-03 3.947532e+00 4.062211e+00 3 4.000000e-08 4.995044e-03 3.947532e+00 4.062211e+00 4 8.000000e-08 4.995044e-03 3.947532e+00 4.062211e+00 5 1.600000e-07 4.995044e-03 3.947532e+00 4.062211e+00 6 3.200000e-07 4.995044e-03 3.947532e+00 4.062211e+00 7 6.400000e-07 4.995044e-03 3.947532e+00 4.062211e+00 8 1.280000e-06 4.995044e-03 3.947532e+00 4.062211e+00 9 2.280000e-06 4.995044e-03 3.947532e+00 4.062211e+00 10 3.280000e-06 4.995044e-03 3.947532e+00 4.062211e+00 11 4.280000e-06 4.995044e-03 3.947532e+00 4.062211e+00 12 5.280000e-06 4.995044e-03 3.947532e+00 4.062211e+00 13 6.280000e-06 4.995044e-03 3.947532e+00 4.062211e+00 14 7.280000e-06 4.995044e-03 3.947532e+00 4.062211e+00 15 8.280000e-06 4.995044e-03 3.947532e+00 4.062211e+00 16 9.280000e-06 4.995044e-03 3.947532e+00 4.062211e+00 17 1.000000e-05 4.995044e-03 3.947532e+00 4.062211e+00 18 1.010000e-05 4.995044e-03 3.947532e+00 4.062211e+00 19 1.026000e-05 4.995044e-03 3.947532e+00 4.062211e+00 20 1.030750e-05 4.995044e-03 3.947532e+00 4.062211e+00 21 1.039062e-05 4.995044e-03 3.947532e+00 4.062211e+00 22 1.041363e-05 4.995044e-03 3.947532e+00 4.062211e+00 23 1.045390e-05 4.995044e-03 3.947532e+00 4.062211e+00 ... (614 more rows) ...
Errores comunes y cómo evitarlos
- Omitir la resistencia de Base (R1): Conectar 5 V directamente a la Base del BJT destruirá el transistor inmediatamente debido a una corriente excesiva. Siempre use una resistencia limitadora.
- Dejar la Puerta (Gate) del MOSFET flotante: Si se quita R2 (pull-down) y S1 está abierto, el MOSFET puede encenderse/apagarse aleatoriamente debido a la carga estática. Siempre conecte la Puerta a un nivel conocido.
- Confusión en el pinout: Confundir el Drenador/Fuente en el MOSFET o el Colector/Emisor en el BJT. Siempre verifique el diagrama de la hoja de datos para el encapsulado específico (TO-92).
Solución de problemas
- Síntoma: El BJT se calienta, pero el LED es tenue.
- Causa: El transistor está en la región activa (no completamente saturado) o R1 es demasiado alta.
- Solución: Disminuya R1 ligeramente para asegurar que suficiente corriente de Base lleve al transistor a la saturación.
- Síntoma: El MOSFET no se enciende.
- Causa: El Voltaje Umbral de Puerta (Vgsth) es mayor que el voltaje de alimentación.
- Solución: Asegúrese de usar el 2N7000 (compatible con nivel lógico) o verifique que la alimentación sea de al menos 5 V.
- Síntoma: Los LEDs permanecen encendidos cuando S1 está abierto.
- Causa: Falta la resistencia pull-down R2.
- Solución: Instale R2 (10 kΩ) para descargar el nodo
CTRLa tierra cuando el interruptor esté abierto.
Posibles mejoras y extensiones
- Prueba de carga inductiva: Reemplace los LEDs/Resistencias con pequeños motores de 5 V DC. Agregue diodos flyback (por ejemplo, 1N4007) a través de los motores para proteger los transistores de picos de voltaje.
- Comparación de alta potencia: Cambie Q1 por un TIP31 y M1 por un IRF520 para manejar una carga más pesada (como una lámpara de 12 V 10W). Observe qué componente requiere un disipador de calor primero (típicamente el BJT).
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