Electrónica Analógica I · 120 h · Eje 2 de 8

Transistores bipolares

El componente que cambió el siglo XX: una corriente chica en la base controla una corriente grande entre colector y emisor. Con eso se amplifica, se conmuta y se regula. Todo lo que viene después en la carrera se apoya acá.

Transistores Electrónica de potencia Punto Q Polarización Conmutación

🎛️ Publicación interactiva · Transistores Bipolares Once temas con curvas características que se mueven, el punto Q desplazándose sobre la recta de carga en vivo, el transistor como llave con LED, la deriva del punto de trabajo al triplicar β, y los amplificadores en emisor común, colector común y Darlington. Conviene tenerla abierta al lado mientras se lee esta página. ›

01Cómo está construido

Un transistor bipolar (BJT, Bipolar Junction Transistor) son dos junturas PN compartiendo una zona central muy fina. Según el orden de los materiales hay dos tipos: NPN y PNP.

emisor y marca el sentido real de la corriente.

Figura 1. Estructura y símbolos. Las tres zonas no son simétricas: el emisor está muy dopado, la base es finísima y poco dopada, y el colector es grande para disipar calor. Por eso no se puede intercambiar emisor con colector.

02El efecto transistor

Para que un NPN funcione en la zona útil hacen falta dos condiciones simultáneas:

La juntura base-emisor en directa (V_BE ≈ 0,7 V).
La juntura base-colector en inversa (el colector más positivo que la base).

Cumplidas las dos, ocurre lo siguiente. El emisor, muy dopado, inyecta una avalancha de electrones hacia la base. Como la base es finísima y poco dopada, sólo un 1 % de esos electrones encuentra un hueco con el cual recombinarse; el 99 % restante atraviesa la base y es capturado por el campo del colector.

Resultado: por la base circula una corriente muy chica, y por el colector una corriente cien veces mayor — y la chica gobierna a la grande.

I_{E} = I_{C} + I_{B}

Ley de corrientes de Kirchhoff aplicada al transistor. La corriente que entra por la base más la que entra por el colector sale toda por el emisor (en un NPN).

La idea que hay que retener

El transistor bipolar es una fuente de corriente controlada por corriente. No amplifica energía de la nada: toma energía de la fuente de alimentación y deja pasar más o menos según lo que le indique la base. Es una canilla, y la base es la manija.

03Ganancia de corriente continua

La relación entre la corriente de colector y la de base es la ganancia β (beta), que en las hojas de datos aparece como h_FE.

β = \frac{I_{C}}{I_{B}}

α = \frac{I_{C}}{I_{E}} = \frac{β}{β + 1}

β es típicamente 100 a 300. α es siempre algo menor que 1 (0,99 para β = 100).

β no es un dato confiable

Esto es lo más importante de toda la sección. En la hoja de datos de un BC547, β figura entre 110 y 800: un rango de 7 a 1. Además cambia con la temperatura y con la corriente de colector. Por eso ningún circuito bien diseñado depende del valor de β. Todo el tema de polarización que viene después existe justamente para eso.

Ejemplo resuelto

Un transistor con β = 150 tiene I_B = 40 µA. Calcular I_C, I_E y α.

I_C = β · I_B = 150 × 40 µA = 6 mA
I_E = I_C + I_B = 6 mA + 0,04 mA = 6,04 mA
α = 150 / 151 = 0,9934

Como se ve, I_C ≈ I_E con un error menor al 1 %. Esa aproximación se usa constantemente y simplifica mucho las cuentas.

04Las tres zonas de trabajo

Zona	Juntura B-E	Juntura B-C	V_CE	Comportamiento	Uso
Corte	Inversa (o < 0,6 V)	Inversa	≈ V_CC	I_C ≈ 0. Llave abierta.	Digital
Activa	Directa (0,7 V)	Inversa	entre 0,2 y V_CC	I_C = β·I_B. Amplifica.	Analógico
Saturación	Directa	Directa	≈ 0,2 V	I_C la fija la carga, no β. Llave cerrada.	Digital

Hay una cuarta zona, la inversa (emisor y colector intercambiados), que casi no se usa: la ganancia cae a menos de 5 porque la estructura no es simétrica.

Cómo saber en qué zona está, midiendo

Con el transistor funcionando, se mide V_CE:

V_CE ≈ V_CC → está en corte.
V_CE ≈ 0,2 V → está saturado.
V_CE intermedio (idealmente ≈ V_CC/2) → está en la zona activa.

05Curvas características

Un transistor no se describe con una sola curva sino con una familia: I_C en función de V_CE, una curva por cada valor de I_B.

Figura 2. Familia de curvas de salida con la recta de carga superpuesta. Cada curva corresponde a una I_B distinta; en la zona activa son casi horizontales, lo que confirma que I_C depende de I_B y casi nada de V_CE.

Se distinguen dos regiones:

Codo inicial (V_CE < 0,2 V): la corriente sube muy rápido. Es la zona de saturación.
Tramo horizontal: I_C casi no cambia aunque suba V_CE. Es la zona activa, donde el transistor se comporta como fuente de corriente.

La leve pendiente del tramo horizontal se debe al efecto Early (modulación del ancho de base) y es la razón por la que la resistencia de salida del transistor no es infinita.

06Recta de carga y punto Q

Las curvas describen al transistor; la recta de carga describe al circuito exterior. Donde se cruzan está el punto de trabajo real, llamado punto Q (de quiescent, en reposo).

Aplicando Kirchhoff a la malla colector-emisor de un circuito con resistencia de colector R_C:

V_{C E} = V_{C C} - I_{C} \cdot R_{C}

Ecuación de la recta de carga en continua.

Es la ecuación de una recta, y para trazarla alcanza con sus dos extremos:

Extremo de corte

I_C = 0 → V_CE = V_CC. El transistor no conduce y toda la tensión de la fuente cae sobre él.

Extremo de saturación

V_CE = 0 → I_C(sat) = V_CC / R_C. El transistor conduce todo lo que la carga le permite.

Dónde conviene poner el punto Q

Depende de para qué se use el transistor:

Amplificador: en el medio de la recta (V_CE ≈ V_CC/2). Así la señal puede subir y bajar lo mismo sin recortarse. Es la máxima excursión simétrica.
Llave: saltando entre los dos extremos (corte y saturación), sin quedarse en el medio. En los extremos casi no disipa potencia.

Disipación

La potencia que disipa el transistor es P = V_CE · I_C. En corte I_C = 0 y en saturación V_CE ≈ 0,2 V: en los dos casos la potencia es despreciable. El punto medio de la recta es justamente el de máxima disipación, y por eso un amplificador clase A calienta aun sin señal.

07El transistor como llave

Es la aplicación más inmediata y la que conecta con Electrónica Digital I: la salida de una compuerta no puede manejar un relé, un motor ni una lámpara, pero puede excitar la base de un transistor que sí lo haga.

Figura 3. Transistor conmutando un relé. El diodo de rueda libre en antiparalelo con la bobina no es opcional: sin él, el pico inductivo al cortar destruye el transistor.

Ejemplo resuelto · Calcular R_B

Se quiere saturar un BC547 (β mínimo garantizado = 110) para excitar un relé de 12 V que consume 30 mA. La señal de mando viene de una salida digital de 5 V.

1. Corriente de base mínima para llegar a saturación:

I_{B \min} = \frac{I_{C}}{β_{\min}} = \frac{30 mA}{110} = 0, 27 mA

2. Se aplica un factor de sobreexcitación de 3 a 5 para asegurar la saturación aun con el peor β y a baja temperatura. Con factor 4: I_B = 1,1 mA.

3. La resistencia de base:

R_{B} = \frac{V_{i n} - V_{B E}}{I_{B}} = \frac{5 - 0, 7}{0, 0011} = 3900 Ω

Se adopta 3,9 kΩ (valor comercial) o 4,7 kΩ si se acepta un poco menos de margen.

4. Verificación de disipación: saturado, V_CE ≈ 0,2 V y I_C = 30 mA → P = 6 mW. Un BC547 (500 mW) sobra holgadamente.

Cargas inductivas

Relés, motores, solenoides y bobinas almacenan energía en su campo magnético. Al cortar la corriente de golpe, esa energía se descarga como un pico de tensión de cientos de volt (V = L·di/dt). El diodo de rueda libre le da un camino a esa corriente y la mantiene en 0,7 V. Sin él, el transistor se perfora en la primera conmutación.

08Polarización

Polarizar es fijar el punto Q y, sobre todo, que se quede ahí aunque cambien la temperatura o el transistor. Esto es lo que separa un circuito que funciona de uno que anda a veces.

Polarización por base fija

Una sola resistencia entre V_CC y la base. Es la más simple y la peor.

I_{B} = \frac{V_{C C} - 0, 7}{R_{B}}, I_{C} = β \cdot I_{B}

El problema salta a la vista: I_C es directamente proporcional a β.

Si se cambia el transistor por otro del mismo tipo pero con β = 300 en vez de 100, la corriente de colector se triplica y el punto Q se va a saturación. El circuito deja de amplificar. Y como β además crece con la temperatura, el circuito se corre solo mientras funciona.

Polarización por divisor de tensión

Es la que se usa en la práctica. Dos resistencias fijan la tensión de base y una resistencia de emisor introduce realimentación negativa.

Figura 4. Polarización por divisor de tensión. Es la configuración estándar de todo amplificador de 4° y 5° año.

El cálculo tiene cuatro pasos, y en ninguno aparece β:

V_{B} = V_{C C} \cdot \frac{R 2}{R 1 + R 2}

V_{E} = V_{B} - 0, 7 V

I_{E} = \frac{V_{E}}{R_{E}} \approx I_{C}

V_{C E} = V_{C C} - I_{C} \cdot (R_{C} + R_{E})

Cálculo del punto Q con divisor de tensión. Válido si la corriente del divisor es al menos 10 veces I_B, condición que se cumple eligiendo R2 ≤ β·R_E/10.

Ejemplo resuelto · Punto Q y su estabilidad

V_CC = 12 V, R1 = 47 kΩ, R2 = 10 kΩ, R_C = 2,2 kΩ, R_E = 470 Ω.

V_B = 12 × 10/(47+10) = 2,11 V
V_E = 2,11 − 0,7 = 1,41 V
I_E = 1,41 / 470 = 3,0 mA ≈ I_C
V_CE = 12 − 3,0 mA × (2200 + 470) = 12 − 8,0 = 4,0 V

Prueba de estabilidad: si se reemplaza el transistor por uno con β tres veces mayor, el cálculo no cambia en nada, porque β no aparece en ninguna fórmula. Con base fija, la misma sustitución triplicaría I_C. Ese es todo el punto del divisor de tensión.

Por qué R_E estabiliza

Es un lazo de realimentación negativa: si por temperatura I_C tiende a subir, sube V_E = I_E·R_E. Como V_B está fijada por el divisor, V_BE = V_B − V_E disminuye, y eso reduce I_C. El circuito se corrige solo. Cuanto mayor R_E, más estable — pero menos ganancia de tensión en alterna, y por eso más adelante se la puentea con un capacitor.

09Fuentes reguladas con transistores

El regulador Zener sólo sirve para corrientes chicas. Agregándole un transistor en configuración seguidor de emisor, la corriente disponible se multiplica por β.

Figura 5. Fuente regulada serie: el Zener fija la referencia y el transistor entrega la corriente. Es el antecesor directo del 7805 y del LM317.

La salida vale V_out = V_Z − 0,7 V. El Zener sólo tiene que entregar I_C/β, es decir unos pocos miliamperes, mientras el transistor maneja toda la corriente de carga. Con β = 100, un Zener que soportaba 50 mA ahora permite 5 A — limitado, claro, por la disipación del transistor:

P_{D} = (V_{i n} - V_{o u t}) \cdot I_{o u t}

Con 18 V de entrada, 12 V de salida y 1 A, el transistor disipa 6 W: necesita disipador con obligación.

🔋 Fuente regulada con LM317 La versión integrada de este mismo circuito, con protección térmica y limitación de corriente incorporadas. Recorre las cuatro etapas con las formas de onda reales. ›

10Encapsulados, identificación y disipación

Transistor	Tipo	I_C máx.	V_CEO	P_D	β típico	Encapsulado
BC547	NPN	100 mA	45 V	500 mW	110-800	TO-92
BC557	PNP	100 mA	45 V	500 mW	110-800	TO-92 (par del 547)
2N2222	NPN	800 mA	40 V	500 mW	100-300	TO-92 / TO-18
BD139	NPN	1,5 A	80 V	12,5 W	40-160	TO-126, con disipador
TIP31C	NPN	3 A	100 V	40 W	10-50	TO-220
TIP120	NPN Darlington	5 A	60 V	65 W	≥ 1000	TO-220

Los datasheets oficiales están en onsemi.com (los BJT genéricos no los fabrica Texas Instruments). La distribución de patas no es universal: un BC547 en TO-92, mirado de frente con la cara plana hacia el observador, tiene C-B-E de izquierda a derecha; un 2N2222 en el mismo encapsulado tiene E-B-C. Confundirlas es el error más común del taller.

Disipación y disipador

La P_D de la hoja de datos vale a 25 °C de temperatura de cápsula, lo que casi nunca ocurre. En la práctica se aplica un factor de seguridad: no superar la mitad de la potencia nominal, y colocar disipador con grasa siliconada apenas se pasa de 1 W. Ojo: en muchos encapsulados TO-220 la lengüeta metálica está unida al colector, así que si se atornillan dos transistores al mismo disipador hay que usar mica aisladora y arandela plástica.

11En el laboratorio

Práctica 1 · Identificar patas y tipo con el multímetro

Un transistor es «dos diodos espalda con espalda». En la escala de diodo:

Buscar la pata que, con la punta roja fija, da lectura de ≈ 0,7 V contra las otras dos: esa es la base y el transistor es NPN.
Si eso ocurre con la punta negra fija, es PNP.
Entre las dos patas restantes la lectura debe ser OL en ambos sentidos. Si conduce, el transistor está en corto.
De esas dos, el emisor mide una décima más que el colector contra la base (0,72 vs 0,68 V, aproximadamente). Si el multímetro tiene función h_FE, se confirma probando las dos orientaciones: la que dé mayor ganancia es la correcta.

Práctica 2 · Medir β

Montar el transistor con R_B = 470 kΩ desde 12 V a la base y R_C = 1 kΩ desde 12 V al colector, emisor a masa. Medir la caída en R_B y en R_C, calcular I_B e I_C, y obtener β. Repetir con tres transistores del mismo tipo y comparar: la dispersión entre ellos es la lección de la práctica.

Práctica 3 · Corte y saturación

Transistor con LED en el colector (con su resistencia) y un pulsador que lleva la base a 5 V a través de 4,7 kΩ. Medir V_CE con el pulsador suelto (debe dar ≈ V_CC) y apretado (debe dar ≈ 0,2 V). Calcular la potencia disipada en ambos casos y comprobar que es mínima.

Práctica 4 · Estabilidad del punto Q

Armar dos circuitos: uno con base fija y otro con divisor de tensión, ajustados para el mismo punto Q inicial. Reemplazar el transistor por otro del mismo tipo (con β distinto) en los dos y volver a medir V_CE. En el de base fija el punto Q se corre notablemente; en el del divisor casi no se mueve. Es la práctica que justifica todo el tema.

12Errores frecuentes

Síntoma	Causa habitual
El transistor no conduce nunca	Patas invertidas (emisor y colector cambiados), o V_BE por debajo de 0,6 V.
Conduce siempre, aun sin señal	Falta la resistencia de base, o el divisor está mal calculado y lo dejó saturado.
Se calienta mucho sin carga	Punto Q en el medio de la recta con corriente alta. Es normal en clase A, pero conviene verificar la disipación.
El transistor se quema al desconectar el relé	Falta el diodo de rueda libre.
Funciona con un transistor y con otro igual no	El circuito depende de β: polarización por base fija. Hay que pasar a divisor de tensión.
La señal de salida está recortada arriba o abajo	Punto Q descentrado: la señal choca con la saturación o con el corte antes de completar el ciclo.
Funciona frío y falla cuando se calienta	Deriva térmica. Falta R_E o es demasiado chica.

13Autoevaluación

¿Por qué la base de un transistor tiene que ser fina y poco dopada?

Para que los portadores inyectados por el emisor no encuentren con qué recombinarse y crucen hasta el colector. Si la base fuera gruesa o muy dopada, la mayoría se recombinaría, I_B sería grande y β chico: no habría efecto transistor.

¿Se puede usar un transistor con el emisor y el colector intercambiados?

Funciona, pero muy mal: la ganancia cae a menos de 5 y la tensión inversa que soporta la juntura base-emisor es de apenas 5 o 6 V. Las tres zonas tienen dopajes y tamaños distintos, así que el transistor no es simétrico.

Un BC547 con β = 200 tiene I_B = 25 µA. ¿I_C e I_E?

I_C = 200 × 25 µA = 5 mA. I_E = 5 + 0,025 = 5,025 mA. En la práctica se toma I_C ≈ I_E.

¿Cuáles son los dos extremos de la recta de carga si V_CC = 15 V y R_C = 3 kΩ?

Corte: V_CE = 15 V con I_C = 0.
Saturación: I_C(sat) = 15 / 3000 = 5 mA con V_CE = 0.
Para máxima excursión, el punto Q va en V_CE = 7,5 V con I_C = 2,5 mA.

¿Por qué la polarización por base fija es mala?

Porque I_C = β·I_B depende directamente de β, que varía hasta 7 a 1 entre unidades del mismo modelo y además crece con la temperatura. El punto Q se corre al cambiar el transistor o al calentarse, y el circuito deja de funcionar.

Explicar en una frase cómo estabiliza R_E.

Si I_C sube, sube V_E; como V_B está fija por el divisor, V_BE = V_B − V_E baja y la corriente vuelve a bajar. Es realimentación negativa.

¿Por qué se sobreexcita la base al usar el transistor como llave?

Para garantizar la saturación con el peor β posible y en cualquier temperatura. Se usa 3 a 5 veces la I_B mínima teórica. Si el transistor no llega a saturar, queda en zona activa, V_CE es alta y disipa mucho calor.

Una fuente con seguidor de emisor entrega 12 V y 1,5 A, alimentada con 20 V. ¿Cuánto disipa el transistor?

P = (20 − 12) × 1,5 = 12 W. Necesita sí o sí un disipador dimensionado, y conviene bajar la tensión de entrada para reducir esa pérdida — es la razón por la que las fuentes conmutadas reemplazaron a las lineales en equipos de potencia.

¿Qué mide un multímetro entre base y emisor de un NPN sano, en escala de diodo?

Con la punta roja en la base y la negra en el emisor: ≈ 0,7 V (juntura en directa). Al revés: OL. Si mide bajo en los dos sentidos, la juntura está en corto y el transistor no sirve.

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