El transistor bipolar: polarización, recta de carga e interruptor

Un pin de salida de un microcontrolador entrega a lo sumo 20 mA a 5 V. El relé de 12 V que enciende la bomba de agua del invernadero necesita 30 mA y 12 V. No hay forma de conectarlos directamente. Entre los dos se pone un transistor bipolar: una pequeña corriente de base, que sí puede dar el pin, controla una corriente mucho mayor que circula por otra rama.

Constitución y símbolos#

Es un «sándwich» de tres capas: NPN (N-P-N) o PNP (P-N-P). El emisor está muy dopado, para inyectar muchos portadores. La base es muy delgada y poco dopada, de modo que casi todos los portadores que le llegan la atraviesan. El colector es más grande, porque es el que disipa la mayor parte del calor.

En el símbolo, la flecha está en el emisor y apunta en el sentido de la corriente convencional. En el NPN la flecha sale del transistor («no apunta adentro»); en el PNP, entra. Las patas de un mismo encapsulado TO-92 no siempre están en el mismo orden: el 2N3904 y el BC547 las tienen distinto. Con el catálogo del fabricante o con el multímetro se confirma antes de soldar.

Corrientes y ganancia beta#

β, que en los catálogos aparece como h_FE, es la ganancia de corriente. El 2N2222A, que usaremos de ejemplo, tiene entre 100 y 300. Es un dato disperso: dos transistores del mismo tipo pueden tener betas muy distintas, y también cambia con la temperatura. Un buen diseño no depende de un valor exacto de β.

Ejemplo. Con I_B = 0,1 mA y β = 200, I_C = 20 mA e I_E = 20,1 mA.

Zonas de funcionamiento#

Zona	Unión base-emisor	Unión base-colector	Qué pasa
Corte	Inversa o sin tensión suficiente (VBE menor que unos 0,5 V)	Inversa	IC ≈ 0. Interruptor abierto
Activa	Directa (VBE ≈ 0,7 V)	Inversa	IC = β · IB. Amplificador
Saturación	Directa	Directa	VCE ≈ 0,2 V. IC menor que β · IB. Interruptor cerrado

En un amplificador el transistor trabaja en la zona activa. En un interruptor salta entre corte y saturación, sin quedarse en medio.

Configuraciones#

• Emisor común: la entrada va a la base, la salida sale del colector y el emisor es común. Da ganancia de tensión y de corriente e invierte la señal. Es la que usamos en este tema.
• Colector común (seguidor de emisor): ganancia de tensión cercana a 1, impedancia de entrada alta y de salida baja. Sirve para aislar una etapa de otra.
• Base común: ganancia de tensión sin ganancia de corriente, buena respuesta a frecuencias altas.

Polarización fija y recta de carga#

Polarizar es fijar el punto de trabajo (punto Q): los valores de I_C y V_CE sin señal. En la polarización fija, una sola resistencia R_B va de V_CC a la base.

Ejemplo. V_CC = 12 V, R_C = 1,2 kΩ, β = 100. Queremos I_C ≈ 5 mA.

• I_B = 5 mA / 100 = 50 µA.
• R_B = (12 − 0,7) V / 50 µA = 226 kΩ. Se usa 220 kΩ.
• Con 220 kΩ, I_B = 11,3 / 220 000 = 51,4 µA, I_C = 5,14 mA y V_CE = 12 − 5,14 mA · 1,2 kΩ = 5,83 V. Es casi la mitad de V_CC, buen lugar para amplificar.

La recta de carga sale de la malla del colector: V_CE = V_CC − I_C · R_C. Se dibuja con dos puntos: en corte, I_C = 0 y V_CE = 12 V; en saturación, V_CE ≈ 0 e I_C = 12 V / 1,2 kΩ = 10 mA. El punto Q (5,83 V; 5,14 mA) cae sobre esa recta.

El defecto de este circuito aparece al cambiar el transistor. Si el nuevo tiene β = 200, I_C sería 10,3 mA, y la caída en R_C (12,3 V) supera a la fuente: el transistor se va a saturación, V_CE ≈ 0,2 V, y deja de amplificar. La polarización fija depende por completo de β.

Polarización por divisor de tensión#

Se agrega una resistencia R_E en el emisor y un divisor R₁-R₂ que fija el voltaje de base. Si la corriente cambia, la caída en R_E cambia y se reduce sola la tensión efectiva en la unión base-emisor: es una realimentación.

Ejemplo. V_CC = 12 V, I_C ≈ 5 mA, R_C = 1,2 kΩ. Se toma V_E ≈ 2,3 V, entonces R_E = 2,3 / 5 mA ≈ 470 Ω. La base debe estar a V_E + 0,7 ≈ 3 V. Con corriente del divisor de unas diez veces I_B (0,5 mA), R₁ + R₂ = 12 V / 0,5 mA = 24 kΩ y R₂ = 3 V / 0,5 mA = 6 kΩ. Se usan R₂ = 6,2 kΩ y R₁ = 18 kΩ.

Verificación con el equivalente de Thévenin (V_TH = 3,07 V; R_TH = 4,6 kΩ): con β = 100 resulta I_C ≈ 4,6 mA y V_CE ≈ 4,4 V; con β = 200 resulta I_C ≈ 4,8 mA y V_CE ≈ 4,0 V. Al duplicar β, I_C cambió solo un 5 %, frente al 100 % del circuito anterior. Por eso es el que se usa en la práctica.

El transistor como interruptor#

Ejemplo. Se quiere que una señal de 5 V encienda un relé de 12 V cuya bobina mide 400 Ω con el multímetro. Se usa un 2N2222A.

1. Corriente de la bobina: 12 V / 400 Ω = 30 mA. Esa es I_C en saturación.
2. Para asegurar la saturación se alimenta la base con 1/10 de esa corriente, es decir, I_B = 3 mA (esto se llama saturación forzada y es independiente del β exacto).
3. R_B = (5 − 0,7) V / 3 mA = 1 433 Ω. Se usa 1,5 kΩ: I_B = 2,87 mA, suficiente (I_C/I_B ≈ 10,5).
4. El transistor dispara el relé con V_CE(sat) ≈ 0,2 V, así que disipa apenas 0,2 V · 30 mA = 6 mW.

En paralelo con la bobina, con el cátodo hacia +12 V, se coloca un diodo (un 1N4007). Cuando el transistor se apaga, la bobina intenta mantener la corriente y produce un pico de tensión de cientos de voltios que superaría los 40 V que soporta el 2N2222A. El diodo le da un camino a esa corriente y protege al transistor.

Multivibradores#

Son circuitos con dos transistores que se pasan el control uno al otro. Tres tipos:

• Astable: no tiene estado estable, oscila sola. Sirve para hacer parpadear dos LED.
• Monoestable: tiene un estado estable; al recibir un disparo pasa a otro durante un tiempo fijo y vuelve.
• Biestable: tiene dos estados estables y cambia de uno a otro con cada pulso (un «flip-flop»).

Ejemplo del astable. V_CC = 9 V, dos transistores 2N3904, R_C = 470 Ω con un LED rojo en cada colector, R_B = 22 kΩ y C = 22 µF en cada rama cruzada. La frecuencia es f ≈ 1 / (1,386 · R_B · C) = 1 / (1,386 · 22 000 · 0,000022) ≈ 1,5 Hz, así que cada LED se enciende unas 1,5 veces por segundo. Con 470 Ω, cada LED lleva (9 − 2 − 0,2) / 470 ≈ 14,5 mA. Los electrolíticos van con el positivo hacia el colector.

Prueba con el multímetro y errores frecuentes#

En la posición de diodos, un NPN sano marca 0,6 a 0,7 V con la punta roja en la base y la negra en el emisor, y lo mismo con la negra en el colector; con las puntas invertidas marca «OL», y entre colector y emisor, «OL» en ambos sentidos. En un PNP los sentidos se invierten. Una lectura de 0 V entre dos patas indica un transistor en corto; «OL» en directa, una unión abierta.

• Olvidar la resistencia de base: la unión base-emisor se comporta como un diodo y la corriente se dispara.
• Suponer que I_C = β · I_B también en saturación. No es así: ahí I_C la fija el circuito exterior.
• Mezclar patas: el emisor, la base y el colector cambian de lugar entre modelos.
• Usar polarización fija cuando el circuito debe repetirse en serie.

Ponte a prueba#

Un transistor con β = 150 tiene I_B = 40 µA en zona activa. Calcula I_C e I_E.#

En polarización fija con V_CC = 9 V, R_C = 1 kΩ y R_B = 430 kΩ, β = 100, calcula I_B, I_C y V_CE.#

¿Por qué se prefiere el divisor de tensión sobre la polarización fija?#

Un transistor maneja un relé de 12 V con bobina de 240 Ω. ¿Qué corriente de base asegura la saturación con saturación forzada de 10?#

¿Para qué sirve el diodo en paralelo con la bobina de un relé manejado por un transistor?#

Fuentes#

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