BJT como llave + taller

01 · Punto de partida

Anduvo el prototipo, fallaron cuatro de diez

En el Tema 19 quedó un caso abierto: un relé de 5 V manejado desde una salida de 3,3 V con un BC547 y un resistor de base de 10 kΩ. Con algunas unidades saturaba, con otras no.

La cuenta usó la ganancia típica, que es justamente el dato que la hoja no garantiza. Y la usó a 70 mA, cerca del máximo del transistor, donde la ganancia real es bastante menor que la de catálogo. El prototipo funcionó porque le tocó una unidad buena.

La respuesta de un programador ante un recurso de capacidad incierta es conocida: sobreaprovisionar. No se dimensiona para el caso medido sino para el peor, con un factor de seguridad amplio, porque el exceso cuesta poco y la falta cuesta una falla intermitente. En una llave con transistor, el recurso es la corriente de base, y el exceso cuesta unos miliamperes.

• ¿Cuánta corriente de base hay que dar para que sature siempre?
• ¿Cómo se calcula el resistor de base, y hacia dónde se redondea?
• ¿Cómo se elige el transistor para cada carga?
• ¿Qué cuidados piden un relé y un motor?
• ¿Qué se mide para saber si la llave está cerrada de verdad?

02 · Aplicación

El circuito de la llave

La configuración es siempre la misma, y conviene memorizarla como un bloque:

La carga va en el colector

Entre el positivo y el colector. Así toda la tensión de la fuente queda disponible para la carga cuando el transistor satura.

El emisor va directo al negativo

Sin nada en el medio. Si la carga se pone del lado del emisor, la base necesitaría más tensión que la carga misma y el transistor no puede saturar: es el error de conexión más común.

El negativo es común

La carga puede tener su propia fuente, de 12 V por ejemplo, distinta de los 3,3 V de la placa. Pero los negativos de las dos tienen que estar unidos: sin ese punto común, la corriente de base no tiene por dónde volver.

La tensión de la carga no la limita el mando

Una salida de 3,3 V puede conmutar una carga de 12 o 24 V. El límite es la tensión máxima entre colector y emisor del transistor: 45 V en un BC547.

03 · Selección

Cuatro cuentas

1. 1
   La corriente de la carga.

   Es el dato de partida. Para un LED, la que fija su resistor. Para un relé, la tensión nominal dividida por la resistencia de la bobina: 5 V ÷ 70 Ω = 71 mA. Para un motor, la de arranque, que es varias veces la de marcha.

2. 2
   El transistor.

   Su corriente máxima de colector tiene que superar con margen a la de la carga: que la carga no pase de tres cuartos del máximo. Y su tensión máxima, la de la fuente de la carga.

3. 3
   La corriente de base: la de la carga dividida por 20.

   Es la ganancia forzada. Para el relé: 71 ÷ 20 = 3,55 mA. Con cargas cercanas al máximo del transistor, o si la salida puede darlo sin esfuerzo, se divide por 10.

4. 4
   El resistor de base, redondeado hacia abajo.

   Lo que le queda al resistor es la tensión de mando menos los 0,7 V de la base. Con 3,3 V: (3,3 − 0,7) ÷ 0,00355 = 732 Ω → 680 Ω. Hacia abajo, como en el Zener: acá el resistor tiene que garantizar corriente.

El prototipo de la escena usaba 10 kΩ. El cálculo da 680 Ω: casi quince veces más corriente de base. Esa es la distancia entre «alcanza con la ganancia típica» y «alcanza siempre».

Por qué 20

No es un número arbitrario. Las hojas de datos indican la tensión de saturación medida con una corriente de base de la décima o la vigésima parte de la de colector. Fuera de esa condición, el fabricante no promete que el transistor sature. Diseñar con ganancia forzada de 10 a 20 es trabajar exactamente en el punto que la hoja describe.

Las tres llaves quedan frías: unas decenas de miliwatts en transistores que soportan 500 o más. Una llave bien saturada no se nota al tacto. La tercera fila, sin embargo, tiene un problema que no está en el transistor.

04 · Selección

Tres verificaciones

Con el resistor elegido, quedan tres preguntas. Cada una mira a un componente distinto.

La salida tiene un límite

Una salida de microcontrolador entrega pocos miliamperes. El máximo absoluto suele estar entre 12 y 40 mA según el chip, y como todo máximo absoluto no es un valor de trabajo. Mientras no leas la hoja de tu placa, usá 10 mA como tope prudente, y menos si varias salidas trabajan a la vez.

Ese tope fija cuánta carga puede manejar un transistor bipolar mandado directamente:

Es el límite real del transistor bipolar como llave: no lo pone el transistor, sino la corriente que hay que entregarle a la base. Alrededor de 200 mA de carga el mando directo se termina. Por encima, la solución habitual es un transistor que no pide corriente para mantenerse encendido: el MOSFET de los Temas 22 y 23.

05 · Aplicación

Cada carga, su cuidado

Las cuatro cuentas son las mismas para cualquier carga. Lo que cambia es lo que la carga le hace al transistor.

Por qué el diodo es obligatorio

Al cortar, la bobina mantiene su corriente y levanta la tensión en el colector hasta lo que haga falta. En el Tema 14 ese pico llegaba a cientos de volts. Un BC547 soporta 45: sin el diodo, el transistor es lo primero que se rompe.

El arranque del motor

Un motor detenido se comporta como la resistencia de su bobinado, y toma varias veces su corriente de marcha hasta que gira. Si el transistor se dimensiona para la corriente de marcha, en cada arranque queda fuera de saturación, con mucha tensión y mucha corriente a la vez: el peor punto de la tabla de calor del Tema 19.

Conmutar muy rápido

Un transistor bipolar muy saturado tarda unos microsegundos en apagarse. Para un relé o un LED que se enciende y se apaga, no importa. Para conmutar miles de veces por segundo con corrientes altas, ese tiempo se convierte en calor, y es otra razón para pasar al MOSFET.

06 · Aplicación

Dos detalles de montaje

El resistor que mantiene apagado

Mientras un microcontrolador arranca, o mientras se lo está programando, sus patas todavía no son salidas: quedan «en el aire», sin conducir hacia ningún lado. Una base en el aire recoge cualquier interferencia, y con su ganancia de cientos alcanza para encender la carga a medias. Un relé que hace clic al encender el equipo es este problema.

Se resuelve con un segundo resistor, de 10 kΩ a 100 kΩ, entre la base y el emisor. Cuando nadie maneja la base, ese resistor la lleva a 0 V y el transistor queda en corte.

No cambia el cálculo

Con el transistor encendido, ese resistor tiene 0,7 V entre sus extremos: uno de 10 kΩ desvía 0,07 mA. Frente a los miliamperes de la base, no se nota.

Cuándo ponerlo

Siempre que la carga no deba activarse sola: relés, motores, cualquier cosa que mueva algo. Para un LED indicador se puede omitir.

La llave del lado del positivo

A veces la carga tiene que quedar unida al negativo y lo que se interrumpe es el positivo. Ahí va un transistor PNP, con el emisor al positivo y la carga entre el colector y el negativo. Se enciende llevando la base hacia abajo: con un nivel bajo en la salida.

07 · Simulador

Banco de la llave

Una fuente de 5 V para la carga. Elegí la carga, el transistor, la tensión de mando y el resistor de base, y probá el circuito con la peor, la típica o la mejor unidad de ese modelo.

• A la izquierda, el circuito con sus corrientes y la tensión entre colector y emisor.
• A la derecha, cuatro barras: cuánta base sobra con la peor unidad, cuánto se le pide a la salida, y cuánto se exige al transistor en corriente y en calor.
• El veredicto siempre considera la peor unidad, aunque estés probando otra.

Recorrido guiado (8 minutos)

1. 1
   Mirá el estado inicial.

   Es la escena: relé, BC547, 3,3 V y 10 kΩ, con una unidad típica. El relé recibe 55 mA de los 69 que necesita, y el transistor disipa unos 60 mW.

2. 2
   Cambiá la unidad a la mejor, y después a la peor.

   Con la mejor satura y el relé cierra: es el prototipo. Con la peor recibe 41 mA y no cierra. Son las diez placas de la escena.

3. 3
   Presioná «Calcular el resistor de base».

   Elige 680 Ω. Recorré las tres unidades: las tres saturan, con 0,18 V entre colector y emisor. La primera barra muestra que con la peor unidad sobra base varias veces.

4. 4
   Cambiá el mando a 5 V sin tocar el resistor, y después recalculá.

   Con 680 Ω la base recibe 6,3 mA: funciona, con más corriente de la necesaria. El cálculo da 1,2 kΩ. El resistor de base depende de la tensión de mando.

5. 5
   Elegí el motor, con el BC547, y calculá.

   El transistor no sirve para esa carga: casi 300 mA es el triple de su máximo. Cambiá al BC337.

6. 6
   Con el motor y el BC337, calculá el resistor.

   El transistor satura y queda frío, pero la segunda barra pasa el tope: la base pide 17 mA, más de lo que conviene sacar de una salida. Es el límite del mando directo.

7. 7
   Elegí el LED, con el BC547, y calculá.

   La cuenta da 2,7 kΩ justos para los 19 mA de este LED, y hacia abajo queda 2,2 kΩ. Probá 10 kΩ: con este modelo todavía satura con la peor unidad, pero el margen baja de 6,6 a 2. Probá 47 kΩ: ya no satura.

Preguntas para pensar

1. En el paso 3, la base recibe casi quince veces más corriente que en el paso 1. ¿Qué se gastó de más?
2. En el paso 6, ¿por qué no se resuelve usando un resistor de base más grande?
3. ¿Por qué el veredicto considera la peor unidad aunque estés probando una típica?

08 · Taller

Montar y medir

El método es el de los talleres anteriores: diseñar, predecir con un rango, montar, medir y dictaminar. Hacen falta un BC547, un LED rojo, resistores de 470 Ω, 10 kΩ y 1 MΩ, una batería de 9 V y el multímetro.

El diseño

La batería alimenta la carga y también hace de «salida en nivel alto»: el resistor de base se conecta al positivo con un cable, y se desconecta para apagar.

1. 1
   Corriente de la carga.

   LED rojo con 470 Ω a 9 V: (9 − 2 − 0,2) ÷ 470 = 14,5 mA.

2. 2
   Transistor.

   BC547: 14,5 mA es el 15 % de su máximo.

3. 3
   Corriente de base.

   14,5 ÷ 20 = 0,72 mA.

4. 4
   Resistor de base.

   (9 − 0,7) ÷ 0,00072 = 11,5 kΩ → 10 kΩ. La base recibe 0,83 mA.

La predicción, con rangos

Antes de conectar, anotá qué esperás leer. Medí primero la batería: las predicciones suponen 9,0 V.

Tres montajes

1. A
   La llave diseñada: 10 kΩ.

   Tomá las cuatro mediciones de la tabla. Dividí la corriente de la carga por la de base: tiene que dar cerca de 17. Ese número es la ganancia forzada, que elegiste vos, no la del transistor.

2. B
   La llave mal diseñada: 1 MΩ.

   Cambiá solo el resistor de base. El LED enciende, más tenue. Medí la tensión entre colector y emisor: vas a leer entre 5 y 6,5 V. El transistor está en zona activa.

3. C
   La base en el aire.

   Desconectá el resistor de base del positivo y dejalo suelto. El LED se apaga. Ahora tocá con un dedo el extremo libre del resistor de 1 MΩ, y con otro dedo el positivo de la batería. El LED puede encender apenas: la corriente que pasa por tu piel, de microamperes, multiplicada por la ganancia, ya es visible.

Medir la ganancia real

El montaje B permite medir la ganancia de tu transistor, porque en zona activa la corriente de colector es la de base multiplicada por ella.

1. 1
   Corriente de colector.

   Tensión sobre el resistor de 470 Ω, dividida por 470. Si leés 1,2 V, son 2,55 mA.

2. 2
   Corriente de base, calculada.

   Medí la tensión entre base y emisor, restala de la de la batería y dividí por 1 MΩ. Con 9,0 V y 0,62 V: 8,4 µA.

3. 3
   Ganancia.

   2,55 mA ÷ 8,4 µA ≈ 300.

El dictamen

09 · La llave en código

Diseñar, predecir y dictaminar

El diseño completo

Las cuatro cuentas y las tres verificaciones, en una función.

E12 = [10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82]
TRANSISTORES = {                # corriente máxima (A), tensión máxima (V), potencia (W)
    "BC547": (0.1, 45, 0.5),
    "BC337": (0.8, 45, 0.625),
}
TOPE_SALIDA_MA = 10


def comercial_inferior(ohm):
    candidatos = [base * 10 ** decada for decada in range(6) for base in E12]
    return max(v for v in candidatos if v <= ohm)


def llave(carga_ma, v_mando, v_carga=5, forzada=20):
    print(f"Carga de {carga_ma} mA a {v_carga} V, mando de {v_mando} V")
    aptos = [n for n, (i_max, v_max, _) in TRANSISTORES.items()
             if carga_ma / 1000 <= 0.75 * i_max and v_carga <= v_max]
    if not aptos:
        print("  Ningún transistor de la lista alcanza")
        return None
    nombre = aptos[0]
    i_base = carga_ma / forzada
    r_base = comercial_inferior((v_mando - 0.7) / (i_base / 1000))
    i_real = (v_mando - 0.7) / r_base * 1000
    calor = 0.2 * carga_ma
    print(f"  Transistor: {nombre}")
    print(f"  Base: {i_base:.2f} mA -> Rb {r_base} ohm (reales {i_real:.2f} mA)")
    print(f"  Calor en el transistor: unos {calor:.0f} mW de {TRANSISTORES[nombre][2] * 1000:.0f}")
    if i_real > TOPE_SALIDA_MA:
        print(f"  NO DIRECTO: la base pide {i_real:.1f} mA y el tope de la salida es {TOPE_SALIDA_MA}")
    else:
        print("  Diseño correcto")
    return r_base


llave(15, 3.3)
llave(71, 3.3)
llave(71, 5)
llave(300, 5)

Probá llave(120, 3.3, v_carga=12), una tira de LED de 12 V. ¿Cambia el resistor de base por ser de 12 V?

La predicción del taller, con rangos

Antes de medir, el rango esperado de cada lectura según las tolerancias de las piezas.

def rango(funcion, opciones):
    """Evalúa la función en todas las combinaciones de extremos."""
    from itertools import product
    valores = [funcion(*combo) for combo in product(*opciones)]
    return min(valores), max(valores)


BATERIA = (8.8, 9.2)
V_LED = (1.8, 2.1)
V_SAT = (0.05, 0.25)
V_BE = (0.62, 0.75)
R_CARGA = (470 * 0.95, 470 * 1.05)
R_BASE = (10_000 * 0.95, 10_000 * 1.05)

v_carga = rango(lambda bat, led, sat: bat - led - sat, (BATERIA, V_LED, V_SAT))
i_carga = rango(lambda bat, led, sat, r: (bat - led - sat) / r * 1000, (BATERIA, V_LED, V_SAT, R_CARGA))
i_base = rango(lambda bat, be, r: (bat - be) / r * 1000, (BATERIA, V_BE, R_BASE))

print(f"Tensión sobre el resistor de 470 ohm: de {v_carga[0]:.2f} a {v_carga[1]:.2f} V")
print(f"Corriente de la carga: de {i_carga[0]:.1f} a {i_carga[1]:.1f} mA")
print(f"Corriente de base: de {i_base[0]:.2f} a {i_base[1]:.2f} mA")
print(f"Ganancia forzada: de {i_carga[0] / i_base[1]:.0f} a {i_carga[1] / i_base[0]:.0f}")
print("Tensión colector-emisor esperada: menos de 0,3 V")

Cambiá R_BASE por el resistor de 1 MΩ. La «ganancia forzada» que resulta es mayor que la real de cualquier BC547: es la señal de que no va a saturar.

Dictaminar desde las mediciones

def dictamen(v_bateria, v_ce, v_be, v_sobre_carga, r_carga, r_base):
    i_c = v_sobre_carga / r_carga * 1000
    i_b = (v_bateria - v_be) / r_base * 1000 if v_be >= 0.4 else 0.0
    print(f"Vce {v_ce} V, Vbe {v_be} V: carga {i_c:.2f} mA, base {i_b * 1000:.1f} uA")
    if v_be < 0.4:
        print("  CORTE: no llega el mando a la base")
    elif v_ce < 0.3:
        print(f"  SATURADO: llave cerrada, ganancia forzada {i_c / i_b:.0f}")
    elif v_ce < 1:
        print("  DUDOSO: revisar el resistor de base")
    else:
        print(f"  ZONA ACTIVA: falta base. Ganancia real de esta unidad: {i_c / i_b:.0f}")


dictamen(9.0, 0.09, 0.71, 6.95, 470, 10_000)        # montaje A
dictamen(9.0, 5.9, 0.62, 1.20, 470, 1_000_000)      # montaje B
dictamen(9.0, 7.3, 0.02, 0.0, 470, 1_000_000)       # montaje C

Reemplazá los valores por tus mediciones del taller. En el montaje B, el número final es la ganancia de tu transistor.

10 · Comprensión

Confusiones frecuentes

11 · Práctica guiada

Ejercicios

Ejercicio 1: una tira de LED

Una tira de LED de 12 V que consume 120 mA, mandada desde una salida de 5 V. Elegí el transistor, calculá el resistor de base y hacé las tres verificaciones.

Ejercicio 2: diagnóstico por mediciones

Un relé de 5 V manejado por un BC547 no cierra. Medís: 1,8 V entre colector y emisor y 0,68 V entre base y emisor. El resistor de base es de 10 kΩ y el mando, de 3,3 V. ¿Qué pasa y cómo se corrige?

Ejercicio 3: hacia dónde redondear

Para un LED de 15 mA con mando de 5 V, el cálculo da 5,7 kΩ. Compará la ganancia forzada que resulta con 5,6 kΩ y con 6,8 kΩ. ¿Funcionarían los dos? ¿Por qué se elige el menor?

Ejercicio 4: el motor de 300 mA

Hay que manejar un motor de 300 mA desde una salida de 3,3 V con tope de 10 mA. Con un BC337, ¿qué ganancia forzada resulta si se respeta el tope? ¿Qué opciones hay?

Ejercicio 5: el margen, en el simulador

Con el relé, el BC547 y mando de 3,3 V, anotá para la peor unidad la corriente del relé con resistores de base de 10 kΩ, 4,7 kΩ, 2,2 kΩ, 1 kΩ y 680 Ω. ¿A partir de cuál satura?

Ejercicio 6: el taller completo

Con las piezas reales. Hacé los montajes A, B y C de la sección 8. Para cada uno anotá la predicción antes de medir, y después las lecturas. Calculá la ganancia real de tu transistor con el montaje B.

12 · Síntesis

Ideas para recordar

¿Listo para el Tema 21?

Podés avanzar si sos capaz de responder esto sin mirar:

• Dibujar la llave con un NPN, con la carga y los dos resistores.
• Calcular el resistor de base para un relé de 71 mA con mando de 5 V.
• Explicar por qué se divide por 20 y no por la ganancia de la hoja.
• Decir hacia dónde se redondea el resistor de base, y por qué.
• Decir qué limita la carga máxima de un bipolar mandado desde una salida.
• Nombrar lo que no puede faltar al manejar un relé.
• Decir qué medición confirma que el transistor saturó.

Todo este tema consistió en evitar la zona activa. Pero esa zona, donde una variación pequeña en la base produce una grande en el colector, es exactamente lo que hace falta para agrandar una señal. En el próximo tema, el BJT como amplificador: la idea, y por qué el detalle queda para otro curso.