Transistor BJT: NPN/PNP, β y zonas

01 · Punto de partida

Dos placas iguales, dos brillos distintos

El tema anterior terminó con una necesidad: un componente que, con una corriente pequeña, gobierne una grande. La salida de un microcontrolador entrega unos pocos miliamperes; un relé, un motor o una tira de LED piden decenas o cientos. El transistor es el intermediario.

Los dos circuitos están bien armados y los dos transistores están sanos. El problema es el diseño: con ese resistor de base, la corriente del LED queda decidida por la ganancia del transistor, y la ganancia es un número que cambia de una unidad a otra, al doble o más, y que además sube con la temperatura.

Un programador reconoce la situación: es código que depende de un detalle de implementación que la documentación no garantiza. Funciona en una máquina y falla en otra. La solución tampoco es nueva: no depender de ese detalle, y hacer que el resultado lo fije algo que sí esté bajo tu control.

• ¿Cómo hace una corriente pequeña para gobernar una grande?
• ¿Qué diferencia hay entre un transistor NPN y uno PNP?
• ¿Cómo se identifican la base, el colector y el emisor?
• ¿Qué es la ganancia, y por qué no se puede confiar en su valor?
• ¿Qué son el corte, la zona activa y la saturación?

02 · Identificar

Tres patas, dos circuitos

Un transistor bipolar, o BJT (del inglés Bipolar Junction Transistor), tiene tres terminales: base, colector y emisor. Conviene pensarlo como dos circuitos que comparten una pata:

La relación entre los dos es la propiedad central del transistor: mientras el circuito lo permita, la corriente de colector es la corriente de base multiplicada por un número, la ganancia, que se escribe β o h_FE.

Con una ganancia de 300, una corriente de base de 26 µA permite hasta 7,8 mA en el colector. El transistor no fabrica esa corriente: la deja pasar desde la fuente, en una cantidad que la base controla. Es una canilla, y la base es la mano que la gira.

La base es un diodo

Entre la base y el emisor hay una unión como la de cualquier diodo: empieza a conducir cerca de 0,6 V y se queda en unos 0,7 V. Por eso, igual que un LED, la base siempre lleva un resistor en serie: conectada directamente a una salida de 3,3 V, la corriente no tendría límite.

Menos de 0,6 V en la base

No circula corriente de base, y por lo tanto tampoco de colector. El transistor está apagado.

El emisor suma las dos corrientes

Por el emisor sale la corriente de colector más la de base. Como la de base es cientos de veces menor, en la práctica la corriente de emisor y la de colector se toman como iguales.

Se controla con corriente

Para mantener un transistor bipolar encendido hay que entregarle corriente de base todo el tiempo. Es su diferencia principal con el MOSFET del Tema 22, que se controla con tensión.

03 · Identificar

NPN y PNP

Hay dos tipos de transistor bipolar, que hacen lo mismo con todas las polaridades invertidas. En el símbolo los distingue la flecha, que siempre está en el emisor y señala el sentido de la corriente.

El NPN es el habitual

Se enciende con un nivel alto, y su emisor va al negativo común, el mismo de la señal de mando. Es el que vas a usar casi siempre, y el que sigue este tema.

Cuándo aparece el PNP

Cuando la carga tiene que quedar conectada al negativo y lo que se interrumpe es el positivo. Todas las cuentas son las mismas, con los signos cambiados.

No son intercambiables

Un PNP en el lugar de un NPN no funciona, y no alcanza con girarlo. El código lo dice: BC547 y BC557 difieren en un dígito, como viste en el Tema 2.

04 · Identificar

Identificar las patas

La cápsula más común de los transistores chicos es la TO-92: un medio cilindro negro con una cara plana y tres patas. El orden de las patas no es universal, y hay que leerlo en la hoja de cada modelo.

Con el multímetro

Visto desde afuera, un transistor se mide como dos diodos que comparten la base: uno hacia el colector y otro hacia el emisor. Con el modo diodo del Tema 15 se resuelve casi todo.

1. 1
   Encontrá la base.

   Es la única pata desde la cual hay lectura, de unos 0,6 a 0,7 V, hacia las otras dos. Probá cada pata como punto fijo hasta dar con ella.

2. 2
   Determiná el tipo.

   Si las dos lecturas aparecen con la punta roja en la base, es NPN. Si aparecen con la punta negra en la base, es PNP.

3. 3
   Distinguí colector de emisor.

   La lectura entre la base y el colector suele ser unos milivolts menor que entre la base y el emisor. La diferencia es chica; si el multímetro tiene zócalo para medir la ganancia, probá las dos posiciones: la correcta da un valor mucho mayor.

4. 4
   Descartá fallas.

   Entre colector y emisor no tiene que haber lectura en ningún sentido. Si el multímetro marca cerca de cero o suena, el transistor está en cortocircuito: es su forma más común de fallar.

05 · Características

La ganancia, un número que no se promete

La hoja de un BC547 no dice «ganancia: 300». Dice algo bastante más incómodo:

Dentro de un mismo grupo, la ganancia puede variar más del doble. Y hay otras dos fuentes de variación en la misma unidad:

Cambia con la corriente

La ganancia es máxima a corrientes medias y cae a medida que el colector se acerca a su corriente máxima. Un BC547 cerca de sus 100 mA tiene bastante menos ganancia que a 2 mA.

Cambia con la temperatura

Sube cerca de un 1 % por cada grado. Es el efecto del dedo en la escena: unos grados más, unos puntos más de ganancia, un poco más de corriente en el LED.

Qué garantiza la hoja

Solo el mínimo. Es el único valor con el que se puede diseñar: si el circuito funciona con la ganancia mínima, funciona con cualquier unidad.

En la escena, la corriente de base era de 26 µA. Con un transistor de ganancia 200, el LED recibía 5,2 mA; con uno de 450, 11,7 mA. Los dos transistores estaban dentro de lo que promete la hoja.

06 · Características

Las tres zonas

Tomá un circuito concreto: fuente de 5 V, una carga de 220 Ω entre el positivo y el colector, y un transistor de ganancia 300 cuya base se alimenta desde 3,3 V a través de un resistor. Al achicar ese resistor, la corriente de base crece y el transistor pasa por tres estados.

Corte: una llave abierta

Sin corriente de base no hay corriente de colector. Toda la tensión de la fuente queda entre colector y emisor, y la carga está apagada.

Activa: una canilla a medio abrir

La corriente de colector es la de base multiplicada por la ganancia. El transistor se queda con la tensión que la carga no usa. Es la zona donde amplifica, y donde todo depende de la ganancia.

Saturación: una llave cerrada

La corriente llegó al máximo que la carga permite: 4,8 V sobre 220 Ω son 21,8 mA, y no hay de dónde sacar más. Entre colector y emisor quedan apenas unos 0,2 V.

Las dos últimas filas son la observación más importante del tema. Con 22 kΩ la base «pediría» 35 mA y con 4,7 kΩ pediría 166 mA, pero en los dos casos circulan 21,8 mA. En saturación, la corriente de colector la decide la carga, no el transistor. La ganancia dejó de importar: cualquier unidad, con ganancia 200 o 450, da el mismo resultado.

07 · Características

Dónde se calienta

La potencia que disipa el transistor es la tensión entre colector y emisor multiplicada por la corriente de colector. En las tres zonas el resultado es muy distinto:

En corte hay tensión pero no corriente; en saturación hay corriente pero casi no hay tensión. En los dos extremos el producto es chico. El máximo está exactamente en el medio, cuando el transistor se queda con la mitad de la tensión de la fuente.

Con 5 V y 70 mA la diferencia no destruye nada. Con 12 V y 2 A, un transistor saturado disipa menos de 1 W y uno detenido en la mitad disipa 6 W. Es la causa más común de transistores quemados: no la corriente de la carga, sino haber quedado en la zona activa por falta de corriente de base.

08 · Simulador

Las tres zonas

Un transistor NPN con una fuente de 5 V. Elegí la carga, la tensión de mando y el resistor de base, y mové la ganancia para simular distintas unidades.

• A la izquierda, el circuito con las corrientes y la tensión entre colector y emisor.
• A la derecha, la corriente de colector en función de la de base. La franja sombreada cubre todas las unidades posibles de un BC547B, con ganancia de 200 a 450.
• Donde la franja es ancha, el resultado depende de la unidad. Donde se cierra en una línea, no.

Recorrido guiado (8 minutos)

1. 1
   Mirá el estado inicial.

   Es la escena: 3,3 V, 100 kΩ y un LED. El transistor está en zona activa, con 7,8 mA. El punto cae dentro de la franja ancha.

2. 2
   Mové la ganancia de 200 a 450.

   Son las dos placas de la escena. La corriente del LED va de 5,2 a 11,7 mA con el mismo circuito. El último recuadro muestra ese rango.

3. 3
   Con la ganancia en 300, achicá el resistor de base paso a paso.

   Con 47 kΩ la corriente sube. Con 22 kΩ llega al tope de 18,7 mA y la tensión entre colector y emisor cae a 0,2 V: saturó. Con 10 kΩ y con 4,7 kΩ ya no cambia nada.

4. 4
   Dejá 22 kΩ y bajá la ganancia a 110.

   Con esa unidad el transistor ya no satura. Con 10 kΩ, en cambio, satura en todo el recorrido del control: la franja se cerró en una línea.

5. 5
   Poné el mando en 0 V.

   Corte: sin corriente de base no hay corriente de colector, sea cual sea el resistor o la ganancia.

6. 6
   Elegí el relé, mando en 3,3 V y 10 kΩ, y recorré la ganancia.

   El relé necesita 69 mA. Con ganancia 300 satura apenas; con 200 no llega, y el transistor disipa varias veces más. Es el caso que se resuelve con las cuentas del próximo tema.

7. 7
   Con el relé y ganancia 300, pasá por 47 kΩ, 22 kΩ, 10 kΩ y 4,7 kΩ.

   Mirá el calor en el transistor: sube, pasa por un máximo cerca de la mitad de la corriente y cae al saturar.

Preguntas para pensar

1. En el paso 3, con 4,7 kΩ la base recibe cinco veces más corriente que con 22 kΩ. ¿Por qué el LED no brilla más?
2. En el paso 4, ¿por qué el diseño con 10 kΩ es mejor que el de 22 kΩ, si con ganancia 300 dan el mismo resultado?
3. En la escena, ¿qué habría que cambiar para que las dos placas brillen igual?

09 · El transistor en código

Zona, dispersión y calor

En qué zona está

El modelo del simulador, en una función: la corriente de colector es la que pide la base, con el tope que impone la carga.

V_BE, V_SAT = 0.7, 0.2


def punto(v_mando, r_base, v_fuente, r_carga, beta):
    i_base = max(0.0, (v_mando - V_BE) / r_base)
    tope = (v_fuente - V_SAT) / r_carga
    i_colector = min(beta * i_base, tope)
    v_ce = v_fuente - i_colector * r_carga
    if i_base == 0:
        zona = "CORTE"
    elif beta * i_base < tope:
        zona = "ACTIVA"
    else:
        zona = f"SATURACIÓN (la base pide {beta * i_base / tope:.1f} veces el tope)"
    return i_base, i_colector, v_ce, zona


print("Fuente 5 V, carga 220 ohm, mando 3,3 V, ganancia 300")
for r_base in (None, 100_000, 47_000, 22_000, 10_000, 4_700):
    if r_base is None:
        ib, ic, vce, zona = punto(0, 10_000, 5, 220, 300)
        nombre = "mando en 0 V"
    else:
        ib, ic, vce, zona = punto(3.3, r_base, 5, 220, 300)
        nombre = f"{r_base / 1000:g} kohm"
    print(f"  {nombre:>13}: Ib {ib * 1e6:5.0f} uA  Ic {ic * 1000:5.1f} mA  Vce {vce:.2f} V  {zona}")

Calculá a mano el resistor de base que deja al transistor justo en el borde, y comprobalo agregándolo a la lista.

La misma placa con distintas unidades

La escena, en una tabla: qué corriente recibe la carga según la ganancia del transistor que te tocó, con dos resistores de base.

V_BE, V_SAT = 0.7, 0.2


def corriente_carga(r_base, beta, v_mando=3.3, v_fuente=5, r_carga=220):
    i_base = max(0.0, (v_mando - V_BE) / r_base)
    return min(beta * i_base, (v_fuente - V_SAT) / r_carga) * 1000


print("ganancia   Rb 100 kohm   Rb 10 kohm")
for beta in (110, 200, 300, 450, 800):
    print(f"{beta:>8}   {corriente_carga(100_000, beta):8.1f} mA  {corriente_carga(10_000, beta):8.1f} mA")

for r_base in (100_000, 22_000, 10_000):
    valores = [corriente_carga(r_base, beta) for beta in range(200, 451, 10)]
    print(f"Rb {r_base / 1000:g} kohm, BC547B: de {min(valores):.1f} a {max(valores):.1f} mA"
          f"  ->  {'depende de la unidad' if max(valores) - min(valores) > 0.1 else 'igual en todas'}")

Probá con range(110, 801, 10), un BC547 sin letra. ¿Sigue alcanzando el resistor de 10 kΩ?

El calor, zona por zona

def calor(v_fuente, r_carga, fraccion, v_sat=0.2):
    """fraccion: qué parte de la corriente máxima deja pasar el transistor (0 a 1)."""
    tope = (v_fuente - v_sat) / r_carga
    i = tope * fraccion
    v_ce = v_fuente - i * r_carga
    return i, v_ce, v_ce * i


for nombre, v_fuente, r_carga in (("relé de 5 V", 5, 70), ("motor de 12 V y 2 A", 12, 5.9)):
    print(f"Carga: {nombre}")
    for fraccion in (0, 0.25, 0.5, 0.75, 1):
        i, v_ce, p = calor(v_fuente, r_carga, fraccion)
        barra = "#" * round(40 * p / (v_fuente ** 2 / (4 * r_carga)))
        print(f"  {fraccion * 100:3.0f} % de la corriente: Vce {v_ce:5.2f} V  {p:6.3f} W  {barra}")

El máximo siempre está en el 50 %, y vale la cuarta parte de la potencia que tomaría la carga conectada directamente.

10 · Comprensión

Confusiones frecuentes

11 · Práctica guiada

Ejercicios

Ejercicio 1: clasificar tres puntos

Fuente de 5 V, carga de 1 kΩ, mando de 5 V, ganancia 200. Para resistores de base de 1 MΩ, 220 kΩ y 47 kΩ, calculá la corriente de base, la de colector, la tensión entre colector y emisor y la zona.

Ejercicio 2: el borde

Fuente de 5 V, carga de 220 Ω, mando de 3,3 V. ¿Cuál es el resistor de base máximo para que sature un transistor de ganancia 300? ¿Y para que sature cualquier BC547B?

Ejercicio 3: las dos placas

En la escena, con 3,3 V, 100 kΩ y un LED rojo con 150 Ω, calculá la corriente del LED con un transistor de ganancia 200 y con uno de 450. Después repetí con 10 kΩ.

Ejercicio 4: una pieza desconocida

Un TO-92 sin código legible. En modo diodo, con la punta negra en la pata 2, el multímetro marca 0,69 V hacia la pata 1 y 0,68 V hacia la pata 3. Con la punta roja en la pata 2 no hay lectura. Entre las patas 1 y 3, tampoco. ¿Qué es, y qué falta saber?

Ejercicio 5: el relé, en el simulador

Con el relé, mando de 3,3 V y resistor de base de 10 kΩ, anotá la corriente de colector, la tensión entre colector y emisor y el calor para ganancias de 200 y de 400. ¿Con cuál de las dos unidades funciona el relé?

Ejercicio 6: medí un transistor

Con las piezas reales. Tomá un BC547 y, sin mirar la hoja, encontrá la base y determiná el tipo con el modo diodo. Anotá las dos lecturas y proponé cuál es el colector. Después verificá con la tabla de la sección 4.

12 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el Tema 20?

Podés avanzar si sos capaz de responder esto sin mirar:

• Nombrar las tres patas y decir por cuál entra la señal.
• Decir hacia dónde apunta la flecha en un NPN.
• Explicar cómo se encuentra la base con el multímetro.
• Decir qué ganancia garantiza la hoja de un BC547B.
• Calcular la corriente de base con un mando de 3,3 V y un resistor de 10 kΩ.
• Decir qué tensión hay entre colector y emisor en corte y en saturación.
• Explicar por qué las dos placas de la escena brillaban distinto.

Ya sabés que la llave se logra saturando, y que para saturar hay que dar corriente de base de sobra. Falta convertirlo en un procedimiento: cuánta base, qué resistor, qué transistor para cada carga, y cómo verificarlo en la mesa. En el próximo tema, el BJT como llave, con su taller.