Amplificadores con transistor bipolar: polarización y clases

Enchufas unos audífonos de diadema a la computadora del laboratorio y hablas. El micrófono entrega apenas unos 10 mV de señal, tan poquita que ni un parlante pequeño la movería. Entre ese puñado de milivoltios y el sonido que sale por las bocinas hay una cadena de amplificadores, y casi todos nacen de lo mismo: un transistor bipolar bien polarizado.

El transistor como interruptor y sus curvas ya los tienes en el tema del transistor bipolar; aquí lo usamos en la zona activa.

Polarizar: fijar el punto de trabajo Q#

Para amplificar, el transistor debe estar en la zona activa: unión base-emisor en directa (cerca de 0,7 V en silicio) y base-colector en inversa. La corriente continua que queda en reposo, sin señal, define el punto de trabajo Q (Ic y Vce). La señal se monta encima de ese reposo. Si Q queda muy cerca de saturación o de corte, la onda se recorta.

Lo ideal es dejar Vce más o menos en la mitad de Vcc, para que la señal tenga el mismo espacio hacia arriba que hacia abajo.

Polarización fija#

Una sola resistencia Rb va de Vcc a la base. Ejemplo. Vcc = 12 V, Rb = 470 kΩ, Rc = 2,2 kΩ, β = 100.

• Ib = (12 − 0,7) / 470 kΩ = 11,3 V / 470 kΩ ≈ 24 µA.
• Ic = β·Ib = 100 × 24 µA = 2,4 mA.
• Caída en Rc = 2,4 mA × 2,2 kΩ ≈ 5,3 V, así que Vce = 12 − 5,3 ≈ 6,7 V.

Sirve en el papel, pero en la práctica es frágil. Dos transistores del mismo modelo no tienen la misma β, y la β cambia con la temperatura. Si montas uno con β = 200, Ic sube a 4,8 mA, la caída en Rc llega a 10,6 V y Vce queda en 1,4 V, casi saturado. El amplificador deja de amplificar y empieza a recortar.

Polarización autopolarizada (divisor de tensión y Re)#

Fija la base con un divisor R1-R2 y mete una resistencia Re en el emisor. Si la corriente sube, sube Ve, baja Vbe y la corriente se frena sola. Casi no depende de β. Ejemplo. Vcc = 12 V, R1 = 33 kΩ, R2 = 6,8 kΩ, Rc = 2,7 kΩ, Re = 1 kΩ.

• Vb ≈ 12 × 6,8 / (33 + 6,8) ≈ 2,05 V (la corriente de base, unos 14 µA, es pequeña frente a los 300 µA del divisor).
• Ve = Vb − 0,7 = 1,35 V, entonces Ie = 1,35 V / 1 kΩ = 1,35 mA ≈ Ic.
• Caída en Rc = 1,35 mA × 2,7 kΩ ≈ 3,6 V; Vce = 12 − 3,6 − 1,35 ≈ 7 V, casi la mitad de Vcc.

Cambia β de 100 a 300 y el punto Q casi no se mueve, porque Ie depende de Vb y de Re, no de β. Por eso este es el esquema que se encuentra en la práctica.

Emisor común: ganancia en pequeña señal#

En emisor común la señal entra por la base y sale por el colector, invertida 180°. Es pequeña señal cuando la señal es tan chica frente al punto Q que el transistor se comporta de forma casi lineal. Ahí el emisor tiene una resistencia dinámica propia, re.

Con Ie = 1,35 mA, re ≈ 25 / 1,35 ≈ 18,5 Ω. Si un capacitor de desacople en paralelo con Re deja pasar la señal alterna, Av ≈ − 2 700 / 18,5 ≈ −146. Los 10 mV del micrófono saldrían como 1,46 V, siempre que Rc no tenga una carga pesada en paralelo.

Si quitas ese capacitor, Re también trabaja para la señal y Av ≈ − Rc / (re + Re) = − 2 700 / 1 018,5 ≈ −2,7. Pierdes ganancia, pero ganas estabilidad y menos distorsión. Mucho diseño consiste en escoger entre ambas.

El error típico es olvidar la carga. Si conectas una carga de 2,7 kΩ en paralelo con Rc, la resistencia que ve el colector es 1,35 kΩ y la ganancia cae a la mitad.

Darlington: ganancia de corriente enorme#

Son dos transistores con el emisor del primero conectado a la base del segundo y los colectores juntos. La β total es casi el producto: 100 × 100 = 10 000. Y como hay dos uniones base-emisor en serie, Vbe ronda 1,4 V. El TIP120, por ejemplo, es un Darlington de potencia con hFE mínimo de 1 000 a 3 A.

Ejemplo. Quieres que un pin de 3,3 V de un microcontrolador mueva un ventilador de gabinete de 12 V y 0,25 A. Con un TIP120, Ib ≈ 0,25 A / 1 000 = 0,25 mA. Para asegurar, usas 0,5 mA: Rb = (3,3 − 1,4) V / 0,5 mA = 3,8 kΩ, y la resistencia comercial de 3,9 kΩ sirve. Con un transistor simple de β = 100 necesitarías 2,5 mA, demasiado para muchos pines. Como el ventilador es una carga inductiva (un motor), pon un diodo en antiparalelo con él, con el cátodo hacia los 12 V: sin ese diodo, al apagarse el motor aparece un pico de tensión que puede dañar al transistor. El precio del Darlington es una Vce(sat) más alta y menos velocidad.

Simetría complementaria y clases de operación#

Un par complementario es un NPN y un PNP de características parecidas (BC547 con BC557; TIP31 con TIP32). Conectados como seguidores de emisor, el NPN conduce los semiciclos positivos y el PNP los negativos. Es el push-pull de la etapa final de casi todo parlante amplificado de computadora.

Clase	Conduce	Eficiencia máxima teórica	Defecto
A	360° (todo el ciclo)	25 % con carga resistiva en el colector	Consume y se calienta aunque no haya sonido
B	180° cada transistor	78,5 %	Distorsión de cruce cerca de 0 V

La distorsión de cruce ocurre porque ningún transistor conduce mientras la señal esté entre −0,7 V y +0,7 V. Se corrige con dos diodos entre las bases, que dejan unos 1,2 a 1,4 V de polarización: eso es la clase AB, la que se usa en la práctica.

Ejemplo. Un parlante de 4 Ω debe recibir 3 W. Vp = √(2 × P × R) = √(2 × 3 × 4) ≈ 4,9 V e Ip = 4,9 / 4 ≈ 1,22 A. Con una fuente de ±9 V, la potencia que se toma es (2/π) × Ip × Vcc ≈ 0,637 × 1,22 × 9 ≈ 7 W. Eficiencia = 3 / 7 ≈ 43 %. Se disipan unos 4 W, dos en cada transistor, y por eso los TIP31/TIP32 llevan disipador. Una etapa clase A para entregar esos 3 W gastaría al menos 12 W.

Leer la hoja de datos#

Antes de armar nada, mira estas cuatro cosas en la hoja del fabricante:

• Vceo: la tensión máxima entre colector y emisor. Un 2N3904 aguanta 40 V.
• Ic máx.: el 2N3904 llega a 200 mA y un BC547, a 100 mA. Para los 1,22 A del parlante, ni lo intentes.
• Pd: potencia que puede disipar, 625 mW en el 2N3904 a 25 °C. Baja al subir la temperatura (derating).
• hFE: la ganancia de corriente viene en un rango, no como valor exacto, y por eso no se diseña contando con una β precisa. También se mira fT, la frecuencia donde la ganancia cae a 1.

Ejemplo. En el divisor de arriba, la potencia en el transistor es Vce × Ic = 7 V × 1,35 mA ≈ 9,5 mW. Muy por debajo de los 625 mW.

Errores frecuentes#

• Calcular el punto Q con β como si fuera exacta. Si el resultado cambia mucho al variar β, la polarización es mala.
• Confundir la resistencia dinámica re con Re: la primera es del transistor (25 mV / Ie); la segunda, un componente que tú pones.
• Olvidar que el emisor común invierte la fase.
• Polarizar un push-pull sin diodos y quejarse de la distorsión a volumen bajo.

Ponte a prueba#

Un transistor con polarización fija tiene Vcc = 12 V, Rb = 470 kΩ y β = 100. ¿Cuánto vale Ib?#

¿Por qué la polarización con divisor de tensión y Re es más estable que la fija?#

Con Ie = 2 mA, ¿cuánto vale re y cuál es la ganancia aproximada si Rc = 3,3 kΩ y Re está puenteada?#

Dos transistores de β = 80 forman un Darlington. ¿Cuál es la β total aproximada y la Vbe total?#

¿Cuál es la eficiencia máxima teórica de la clase B y por qué se usa más la clase AB?#

Fuentes#

• Ministerio de Educación Pública — Programa de estudio de Electrónica, Educación Diversificada (MEP, Costa Rica) (PDF)