Transistores

Introducción

Los transistores son dispositivos que mueven nuestro mundo de la electrónica. Son una fuente de control crítico en la mayoría de los circuitos modernos. A veces se pueden ver, pero a menudo se encuentran escondidos al interior de un circuito integrado. En este tutorial vamos a presentar los conocimientos básicos del transistor más común: el transistor de unión bipolar (BJT).

En pequeñas y discretas cantidades, los transistores se pueden utilizar para crear interruptores electrónicos simples, lógica digital, y circuitos amplificadores de señal. En cantidades que bordean los miles, millones e incluso billones, los transistores se interconectan y son embebidos en pequeños chips para crear las memorias de los computadores, microprocesadores, y otros circuitos integrados complejos.

Contenido del Tutorial

Después de leer este tutorial, queremos que tengas un conocimiento general sobre cómo funcionan los transistores. No vamos a ver en profundidad la física de los semiconductores o modelos equivalentes, pero vamos a profundizar lo suficiente para que pueda entender cómo se puede ocupar un transistor como interruptor o amplificador.

Este tutorial se divide en varias secciones, las cuales son:

• Símbolos, Pines, y Construcción – Se explican las diferencias entre los tres pines de los transistores
• Ampliando la Analogía del Agua – Regresando a la analogía del agua para explicar cómo el transistor actúa como una válvula
• Modos de Operación – Una visión general sobre los cuatro posibles modos de operación de un transistor
• Aplicaciones I: Interruptores – Circuitos de aplicación que muestran como los transistores son ocupados de Interruptores controlados electrónicamente
• Aplicaciones II: Amplificadores – Mas circuitos de aplicación, esta vez mostrando como los transistores se utilizan para amplificar voltaje o corriente

Existen dos tipos de transistores básicos: de unión bipolar (BJT) y de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET). En este tutorial nos vamos a enfocar en el BJT, debido a que es un poco más fácil de entender. Si profundizamos más, nos daremos cuenta que hay incluso dos versiones distintas del BJT: el NPN y el PNP. Al principio nos vamos a enfocar más en el NPN. Al limitarnos a entender primero el NPN, será más fácil entender luego el PNP (o incluso los MOSFET).

Lecturas sugeridas

Antes de comenzar con este tutorial, recomendamos que revises los siguientes tutoriales:Voltaje, Corriente, Resistencia, y Ley de Ohm – Una introducción a los conocimientos fundamentales de la electrónica.

Electricidad Básica – Hablaremos un poco sobre la electricidad como el flujo de electrones. Averigüe como esos electrones fluyen en este tutorial.

Potencia Eléctrica – Una de las funciones principales del transistor es amplificar (aumentar la potencia de una señal). Aumentar la potencia significa que podemos aumentar el voltaje o la corriente. Encuentra la razón del porque se puede esto en este tutorial.

Diodos – Un transistor es un dispositivo semiconductor, al igual que un diodo. De cierta manera, un transistor es lo que obtendrías si tomas dos diodos y unes los ánodos de estos. Entender cómo funciona un diodo te ayudará mucho para descubrir de qué forma opera un transistor.

Símbolos, Pines, y Construcción

Los transistores son fundamentalmente dispositivos de tres terminales. En un transistor de unión bipolar (BJT), los pines se denominan colector (C), Base (B), y emisor (E). Los símbolos de circuito de los BJT de tipo NPN y PNP son los siguientes:

La única diferencia entre el NPN y el PNP es la dirección en la cual apunta la flecha del emisor. La flecha del NPN apunta hacia afuera, y la del PNP apunta hacia adentro. Un nemónico para recordar cual es cual es:

NPN: No aPunta adeNtro

¡Es lógica inversa pero funciona!

Construcción del Transistor

Los transistores dependen de los semiconductores para poder funcionar. Un semiconductor es un material que no es un conductor puro (como lo es el cobre) pero tampoco es un aislante (como lo es el aire). La conductividad de un semiconductor (o la facilidad con la que fluyen los electrones) depende de variables como la temperatura o la presencia de mayor o menor cantidad de electrones libres. Revisemos brevemente el interior de un transistor. No se preocupen, no vamos a ahondar en la física cuántica.

Un Transistor Como Dos Diodos

Los transistores son como una especie de extensión de otro componente semiconductor: Los diodos. De cierta forma los transistores son solo dos diodos con sus cátodos (o ánodos) unidos:

El diodo que conecta la base al emisor es el importante; apunta hacia el mismo sentido que la flecha en el símbolo esquemático, y muestra en qué sentido debería fluir la corriente a través del transistor.

La representación del diodo es un buen lugar para comenzar, pero no es para nada precisa. No fundamentes su entendimiento sobre la operación del transistor en ese modelo (Y definitivamente no trates de replicarlo en un protoboard. No funciona). Hay muchas cosas extrañas al nivel de la física cuántica que controla la interacción entre estos tres terminales.

(Este modelo es útil cuando se necesita probar un transistor. Usando la función de prueba de diodo (o resistencia) en un multitester, pueden medir los terminales BE y BC para revisar la presencia de esos “diodos”.)

Estructura y Operación del Transistor

Los transistores se construyen al apilar tres distintas capas de material semiconductor. A algunas de esas capas se le agregan más electrones (Un proceso que se denomina “dopar”), y a otras se le extraen electrones (están dopadas con “agujeros”- la ausencia de electrones). Un material semiconductor con electrones adicionales se denomina tipo-n (n de negativo debido a que los electrones tienen una carga negativa) y un material con electrones extraídos se llama tipo-p (de positivo). Los transistores se crean al apilar un n sobre un p sobre un n, o al apilar un p sobre un n sobre un p.

Diagrama simplificado de la estructura de un NPN. ¿Nota el origen de algún acrónimo?

Podemos estimar que los electrones fluyen fácilmente de las regiones n a las regiones p, siempre y cuando tengan un poco de fuerza (voltaje) que los empujen. Pero fluir de una región p a una región n es bastante difícil (requiere de muchovoltaje). La característica especial de los transistores (lo que hace que nuestro modelo de dos diodos sea obsoleto) es el hecho que los electrones pueden fluir fácilmente de la base tipo-p al colector tipo-n siempre y cuando la unión base-emisor este polarizada (esto quiere decir que la base se encuentra a un voltaje mayor que el emisor).

El transistor NPN está diseñado para permitir el paso de electrones desde el emisor al colector (es decir, por convención la corriente fluye en sentido contrario al movimiento de los electrones). El emisor “emite” electrones a la base, la cual controla la cantidad de electrones que emite el emisor. La mayoría de los electrones emitidos por el emisor son “recolectados” por el colector, el cual los envía a la parte que sigue en el circuito.

Un PNP funciona de la misma manera, pero en sentido opuesto. La base es la que controla el flujo de corriente, pero esa corriente fluye en sentido inverso, desde el emisor al colector. En vez de electrones, el emisor emite “agujeros” (una ausencia conceptual de electrones) los cuales son recolectados por el colector.

El transistor es una especie de válvula de electrones. El pin correspondiente a la base es como una manilla que se puede ajustar para dejar pasar mayor o menor cantidad de flujo de electrones desde el emisor al colector. Investiguemos esta analogía un poco más.

Ampliando la Analogía del Agua

Si has estado leyendo muchos tutoriales de conceptos eléctricos últimamente, lo más probable es que estés acostumbrado a las analogías del agua. Decimos que la corriente es semejante a la cantidad de flujo de agua, el voltaje es la presión que empuja esa agua a través de una tubería, y la resistencia es el diámetro del tubo.

Como es de esperar, la analogía del agua se puede extender a los transistores también: un transistor es como una válvula de agua (un mecanismo que usamos para controlar la cantidad de flujo).

Existen tres estados en las que podemos utilizar una válvula, y cada uno de esos estados tiene un efecto distinto sobre la cantidad de flujo en un sistema.

1) Encendido – Corto Circuito

Una válvula puede estar completamente abierta, permitiendo que el agua fluya libremente (pasando como si la válvula no estuviese presente)

De igual manera, bajo las circunstancias correctas, un transistor puede parecer un corto circuito entre los pines del colector y el emisor. La corriente puede fluir libremente a través del colector, y salir por el emisor.

2) Apagado – Circuito Abierto

Cuando está cerrada, una válvula puede parar completamente el flujo agua.

De la misma manera, un transistor puede ser utilizado para crear un circuito abierto entre los pines del colector y el emisor.

3) Control de Flujo Lineal

Con un poco de afinación, una válvula puede ser ajustada en algún punto entre estar totalmente abierta o totalmente cerrada para controlar la cantidad de flujo.

Un transistor puede hacer lo mismo, controlar linealmente la corriente a través de un circuito. Esto se hace en algún punto entre estar completamente apagado (circuito abierto) y completamente encendido (un corto circuito).

En nuestra analogía del agua, el diámetro de la tubería es similar a la resistencia en un circuito. Si una válvula puede ajustar el diámetro de una tubería, entonces un transistor puede ajustar la resistencia entre el colector y el emisor. De cierta manera, un transistor es como una resistencia variable y ajustable.

Amplificar Potencia

Hay otra analogía que podemos incorporar acá. Imagina que con girar un poco una válvula, usted pudiese controlar la cantidad de flujo de las puertas de la represa Hoover. La pequeña cantidad de fuerza que usted aplica al girar la perilla tiene el potencial de crear una fuerza miles de veces más fuerte. Esta idea se puede traspasar también a los transistores. Los transistores son especiales debido a que ellos pueden amplificar las señales eléctricas, convirtiendo una señal de baja potencia en una señal parecida de potencia mucho más alta.

No es tan simple, pero es un buen comienzo. Revisa la próxima sección para una explicación más detallada sobre la operación de un transistor.

Modos de Operación

A diferencia de las resistencias, las cuales imponen una relación lineal entre el voltaje y la corriente, los transistores son dispositivos no-lineales. Tienen cuatro modos distintos de operación, los cuales describen el flujo de corriente a través de ellos- (Cuando hablamos del flujo de corriente en un transistor, generalmente nos referimos a la corriente que fluye del colector al emisor de un NPN.)

Los cuatro modos de operación de los transistores son:

• Saturación – El transistor actúa como un corto circuito. La corriente fluye libremente del colector al emisor.
• Corte – El transistor actúa como un circuito abierto. No fluye corriente desde el colector al emisor.
• Activa – La corriente del colector al emisor es proporcional  a la corriente que fluye hacia la base.
• Inversa – Como en el modo activo, la corriente es proporcional a la corriente base, pero fluye inversamente. La corriente fluye del emisor al colector (no es exactamente el propósito para cual el transistor fue diseñado).

Para determinar en qué modo está un transistor, debemos revisar los voltajes de cada uno de estos tres pines, y como se relacionan entre ellos. Los voltajes de base a emisor (V_BE), y los de base a colector (V_BC) dictan el modo del transistor:

El gráfico simplificado que vemos arriba muestra como los voltajes positivos y negativos en los terminales que afectan el modo de operación. En realidad es un poco más complicado que eso.

Revisemos los cuatro modos de transistores individualmente; vamos a investigar cómo poner el dispositivo en ese modo, y que efecto tiene sobre el flujo de corriente.

Nota: Esta página se enfoca en transistores NPN. Para entender cómo funciona un transistor PNP, simplemente da vuelta la polaridad de los signos > y <.

Modo de Saturación

La saturación es el modo encendido de un transistor. Un transistor en modo de saturación actúa como un corto circuito entre el colector y el emisor.

En modo de saturación, los dos “diodos” en el transistor están polarizados. Esto significa que V_BE debe ser mayor que 0, y también lo debe ser V_BC.  En otras palabras, V_B debe ser mayor que V_E y V_C.

Debido a que la unión de la base al emisor se ve igual que un diodo, en realidad V_BE debe ser mayor al voltaje umbral para entrar a la saturación. Hay muchas abreviaciones para esta caída de voltaje, V_th, V_γ, y V_d son algunos, y el valor real de este depende del transistor (y aun mas de la temperatura). Para muchos transistores (a temperatura ambiente) podemos estimar que la caída de voltaje será alrededor de 0.6V.

Otro fastidio de la realidad: no existe la conducción perfecta entre el emisor y el colector. Una pequeña caída de voltaje se va a formar entre esos nodos. Los datasheet de los transistores van a definir este voltaje como el voltaje de saturación CE V_CE(sat), el cual es un voltaje de colector a emisor que es requerido para la saturación. Este valor está generalmente alrededor de 0.05-0.2V. Este valor implica que V_C  debe ser un poco más alto que V_E (pero los dos más pequeños que V_B) para que el transistor entre en modo de saturación.

Modo de Corte

El modo de corte es el opuesto al modo de saturación. Un transistor en modo de corte está apagado – no hay corriente de colector, y por lo tanto no hay corriente de emisor. Casi parece un circuito abierto.

Para que un transistor entre en modo de corte, el voltaje base debe ser menor que los voltajes de base y emisor. V_BC y V_BE deben ser negativos.

En realidad, V_BE puede ser cualquier valor entre 0V y V_th (~0.6V) para entrar en modo de corte

Modo Activo

Para operar en modo activo, el V_BE de un transistor debe ser mayor a cero y  V_BC debe ser negativo. Entonces. El voltaje de base debe ser menor al voltaje del colector, pero mayor al voltaje del emisor. También significa que el voltaje del colector debe ser mayor al del emisor.

En realidad, necesitamos una caída de voltaje directo que no sea cero (abreviado como V_th, V_γ, o V_d) desde la base al emisor (V_BE) para “encender” el transistor. Generalmente este voltaje es de alrededor de 0.6V.

Amplificar en Modo Activo

El modo activo es el modo más poderoso del transistor debido a que este convierte el dispositivo en un amplificador. La corriente que entra en el pin de la base amplifica la corriente que entra al colector y que sale del emisor.

Nuestra anotación abreviada para la ganancia (factor de amplificación) de un transistor es β (también lo puedes encontrar como β_F, o h_FE). β relaciona linealmente la corriente del colector (I_C) con la corriente de la base(I_B):

El valor real de β varía dependiendo del transistor. Generalmente es alrededor de 100, pero puede estar entre el rango de 50 hasta 200…incluso 2000, dependiendo de qué transistor se ocupa y cuanta corriente fluye a través de él. Si tu transistor tiene un β de 100, por ejemplo, eso significaría que una corriente de entrada de 1mA en la base podría producir una corriente de 100mA a través del colector.

Modelo del modo activo. VBE = Vth, y IC = βIB.

¿Qué pasa con la corriente del emisor? En modo activo, las corrientes de la base y del colector entran al dispositivo, y la I_E sale. Para relacionar la corriente del emisor con la del colector, tenemos otro valor constante: α. α es la ganancia común de la base, y relaciona las corrientes de esta manera:

α es usualmente muy cercano a, pero menor que, 1. Esto significa que I_C es muy cercano a, pero menor que I_E en modo activo.

Puede usar β para calcular α, o vice-versa:

Si β es 100, por ejemplo, esto significa que α es 0.99. Entonces si I_C  es de 100mA, por ejemplo, entonces I_E es de 101mA.

Activo Inverso

Tal como el modo de saturación es el inverso del modo de corte, el activo inverso es el opuesto del modo activo. Un transistor en modo activo inverso conduce, hasta amplifica, pero la corriente fluye en el sentido contrario, desde el emisor al colector. La desventaja del modo activo inverso es que la β (β_R en este caso) es mucho más pequeña.

Para que un transistor entre en modo activo inverso, el voltaje del emisor debe ser más grande que el voltaje de la base, el cual debe ser más grande que el voltaje del colector (V_BE<0 and V_BC>0).

El modo activo inverso no es un estado en el cual uno quiere llevar un transistor. Es bueno saber que existe, pero es raramente utilizado en una aplicación.

En Relación con la PNP

Después de todo de lo que hemos hablado en esta página, aún no hemos visto la mitad del espectro BJT. ¿Qué pasa con los transistores PNP? Los PNP funcionan parecidos a los NPN, tienen los mismos cuatro modos, pero todo es al revés. Para descubrir en qué modo esta un transistor PNP, debes de invertir todo los signos < y >.

Por ejemplo, para que un PNP entre en modo de saturación, V_C y V_E deben ser mayores que V_B. Tiene que bajar la base para encender el PNP, y hacerla más alta que el colector y el emisor para apagarlo. Y, para poner el PNP en modo activo, el V_E  tener un voltaje más alto que V_B, el cual debe ser mayor a V_C.

En Resumen:

Relaciones de Voltaje	Modo NPN	Modo PNP
VE < VB < VC	Activo	Inverso
VE < VB > VC	Saturación	Corte
VE > VB < VC	Corte	Saturación
VE > VB > VC	Inverso	Activo

Otra característica contraria de los NPN y los PNP es la dirección en la que fluye la corriente. En modo activo y modo de saturación, la corriente de un PNP fluye de emisor a colector. Esto significa que el emisor debe estar en un voltaje más alto que el colector.

Si te encuentras agotado de las cosas conceptuales, dirígete a la próxima sección de este tutorial. La mejor forma de aprender cómo funciona un transistor es examinarlo en circuitos reales. ¡Veamos algunas aplicaciones!

Aplicaciones I: Interruptores

Una de las aplicaciones más fundamentales de un transistor es utilizarlo para controlar el flujo de potencia a otra parte del circuito, usándolo como un interruptor eléctrico. Al llevarlo a modo de corte o de saturación, el transistor puede crear el efecto binario encendido/apagado de un interruptor.

Los interruptores de transistores son bloques críticos para construir circuitos integrados; son utilizados para crear compuertas lógicas, las cuales después crean microcontroladores, microprocesadores, y otros circuitos integrados. Abajo hay algunos circuitos de ejemplo.

Interruptor Transistor

Veamos los circuitos transistor-.interruptor más fundamentales: un interruptor NPN. Aquí usamos un NPN para controlar un LED de alta potencia:

Nuestra entrada de control fluye hacia la base, la salida es por el colector, y el emisor se mantiene en un voltaje fijo.

Mientras un interruptor normal hubiese requerido un actuador que lo de vuelta físicamente, este interruptor es controlado por el voltaje en el pin de base. Un pin I/O de un microcontrolador, como los de un Arduino, pueden ser programados para estar en estados altos o bajos para encender y apagar el LED.

Cuando el voltaje en la base es mayor a 0.6V (o lo que sea el V_th  de su transistor), el transistor empieza a saturar y se ve como un corto circuito entre el colector y el emisor. Cuando el voltaje en la base es menor q 0.6V el transistor esta en modo de corte, no fluye corriente a través del debido a que parece que estuviese un circuito abierto entre C y E.

El circuito anterior se llama un interruptor lado-bajo, debido a que el interruptor (nuestro transistor) se encuentra en el lado bajo (tierra) de nuestro circuito. Alternativamente, podemos usar un transistor PNP para crear un interruptor de lado-alto:

Similar al circuito NPN, la base es nuestra entrada y el emisor se mantiene un voltaje constante. Esta vez, sin embargo, el emisor esta por el lado alto, y la carga está conectada al transistor por el lado de la tierra.

Este circuito funciona igual de bien que el interruptor NPN, pero hay una enorme diferencia: para “encender” la carga, la base debe ser 0V. Esto puede causar complicaciones, especialmente si el voltaje alto de la carga (V_CC en esta imagen) es más alto que el voltaje alto de nuestra entrada de control. Por ejemplo, este circuito no funcionaría si estuviese tratando de usar un Arduino que opera con 5V para encender un motor de 12V. En ese caso sería imposible apagar el interruptor debido a que V_B siempre sería menor que V_E.

¡Resistencias Base!

Puedes darte cuenta que estos circuitos usan una resistencia en serie entre la entrada de control y la base del transistor. ¡No te olvide agregar esta resistencia! Un transistor sin una resistencia en la base es como un LED sin resistencia que limita la corriente.

Recuerde que, en cierta forma, los transistores son solo un par de diodos interconectados. Estamos polarizando el diodo base-emisor para encender la carga. El diodo solo necesita 0.6V para encenderse, más voltaje que eso significa más corriente. Cada transistor soporta una corriente máxima entre base-emisor, te recomendamos revisar el datasheet del transistor que quieras utilizar antes de conectarlo o realizar las pruebas pertinentes. Si suministra una corriente por sobre el máximo permitido, el transistor puede estallar.

La resistencia en serie entre nuestra fuente de control y la base limita la corriente que entra a la base. El nodo base-emisor puede obtener su caída de voltaje de 0.6V, y la resistencia puede caer el voltaje que queda. El valor de la resistencia, y el voltaje aplicado a través de ella, van a dictar la corriente.

La resistencia tiene que ser suficientemente grande para limitar efectivamente la corriente, pero suficientemente pequeña para alimentar la base con suficiente corriente. Entre 1mA a 10mA generalmente es más que suficiente, pero te aconsejamos revisar el datasheet de tu transistor como forma de protección.

Lógica Digital

Los transistores pueden ser combinados para crear todas nuestras compuertas lógicas: AND, OR, y NOT.

(Nota: Hoy en día, los MOSFET son más probable a ser utilizados para crear compuertas lógicas en vez de los BJT. Los MOSFET son más eficientes en término de potencia, lo cual hace que sean una mejor opción).

Inversor

Aquí hay un circuito de un transistor que funciona como un inversor o una compuerta NOT:

Un inversor construido con transistores.

Aquí un voltaje alto en la base va a encender el transistor, lo cual conectara efectivamente el colector con el emisor. Como el emisor está conectado directamente a la tierra, el colector también lo estará (aunque estará un poco más alto, alrededor de V_CE(sat) ~ 0.05-0.2V). Por el otro lado, si la entrada es baja, el transistor se verá como un circuito abierto y la salida va a ser igual a VCC.

(Esto es una configuración fundamental del transistor que se denomina emisor común. Hablaremos más de eso después)

Compuerta AND

Aquí hay un par de transistores que son ocupados para crear una compuerta AND de 2 entradas:

Compuerta AND de 2 entradas construida de transistores.

Si alguno de los transistores está apagado, entonces la salida en el colector del segundo transistor será baja. Si los dos transistores están “encendidos” (las dos bases están en alto), entonces la salida del circuito también es alta.

Compuerta OR

Y, finalmente, aquí hay una compuerta OR de 2 entradas

Compuerta OR de 2 entradas construida con transistores.

En este circuito, si A o B (o los dos) están en estado alto, su transistor respectivo se encenderá, y la salida será alta. Si los dos transistores están apagados, entonces la salida será baja a través de la resistencia.

Puente-H

Un puente-H es un circuito basado en transistores que es capaz de accionar los motores tanto en sentido con las manijas del reloj como en sentido contrario a las manijas del reloj. Es un circuito increíblemente popular (se utiliza en muchos robots que tienen que poder moverse hacia adelante y hacia atrás).

Fundamentalmente, un puente-H es una combinación de cuatro transistores con dos líneas de entrada y dos salidas:

¿Puede adivinar porque se llama un puente-H?

(Nota: Generalmente un puente-H bien diseñado lleva otros componentes incluyendo diodos de retorno (flyback), resistencias base, y disparadores Schmidt)

Si las dos entradas tienen el mismo voltaje, las salidas hacia el motor tendrán el mismo voltaje, y el motor no va a poder girar. Pero si las dos entradas son opuestas, el motor va a girar en un sentido o en el otro.

El puente-H tiene una tabla de verdad que se ve un poco como la siguiente:

Entrada A	Entrada B	Salida A	Salida B	Dirección del Motor
0	0	1	1	Parado (Frenado)
0	1	1	0	Con las Manijas del Reloj
1	0	0	1	Contrario a las Manijas del Reloj
1	1	0	0	Parado (Frenado)

Osciladores

Un oscilador es un circuito que produce una señal periódica que fluctúa entre un voltaje alto y uno bajo. Los osciladores son utilizados en todo tipo de circuitos: desde simplemente hacer parpadear un LED hasta producir una señal de reloj para activar un microcontrolador. Hay hartas formas de crear un circuito oscilador, incluyendo cristales de cuarzo, amplificadores operacionales, y, por su puesto, transistores.

Aquí hay un ejemplo de un circuito oscilador, el cual llamamos un multivibrador estable. Al utilizar retroalimentación podemos utilizar un par de transistores para crear dos señales oscilantes complementarias.

Aparte de los dos transistores, los capacitores son la verdadera clave para este circuito. Los capacitores se cargan y descargan alternamente, lo cual causa que los transistores se enciendan y se apaguen alternamente.

Analizar el funcionamiento de este circuito es una forma excelente para estudiar el funcionamiento de los capacitores y los transistores. Primero, asuma que C1 está completamente cargado (almacenando un voltaje de alrededor de V_CC), C2 se descarga, Q1 esta encendido, y Q2 está apagado. Aquí es lo que sucede después de eso:

• Si Q1 está encendido, entonces la mitad izquierda del circuito (en el esquemático) está conectado a 0V aproximadamente. Esto va a permitir que C1 se descargue a través del colector de Q1.
• Mientras C1 se está descargando, C2 se carga rápidamente a través de la resistencia de menor valor, R4.
• Una vez que C1 se descargue completamente, la mitad derecha del circuito (en el esquemático) se llevara hasta aproximadamente 0.6V, lo que encenderá a Q2.
• En este punto hemos cambiado estados: C1 esta descargado, C2 está cargado, Q1 está apagado y Q2 está encendido. Ahora hacemos lo mismo hacia el otro lado.
• Al estar Q2 encendido, C2 se puede descargar a través del colector de Q2.
• Mientras Q1 está apagado, C1 se puede cargar relativamente rápido a través de R1.
• Una vez que C2 se descarga completamente, Q1 se volverá a encender y estaremos de vuelta al estado en el cual comenzamos.

Puede ser difícil entender esto. Para entender de una manera más simple todo eso, puedes encontrar una excelente demostración en este link de aquí.

Al escoger valores específicos para C1, C2, R2, y R3 (y al mantener R1 y R4 relativamente bajos) podemos fijar la velocidad de nuestro circuito multivibrador:

Entonces, con los valores de capacitores y resistencias fijados en 10µF y 47kΩ respectivamente, la frecuencia de nuestro oscilador es de alrededor de 1.5Hz. Esto significa que nuestro LED va a pestañar 1.5 veces por segundo.

Como ya pueden ver, hay un montón de circuitos que usan transistores. A penas hemos visto algunos. Estos ejemplos muestran como los transistores pueden ser utilizados en modo de saturación y en modo de corte como interruptores. ¿Qué pasa con la amplificación? ¡Es hora de más ejemplos!

Aplicaciones II: Amplificadores

Algunas de las aplicaciones de transistores más poderosas involucran amplificación: convertir una señal de baja potencia a una de potencia más alta. Los amplificadores pueden aumentar el voltaje de una señal, tomando algo del rango de los µV y convirtiéndolo en valores más útiles en el rango de los mV o V. O pueden amplificar la corriente, lo cual es útil al convertir la corriente de µA producida por un fotodiodo a una corriente de magnitud más grande. Incluso hay amplificadores que toman una corriente de entrada y producen un voltaje más alto, o viceversa (llamado transresistencia o transconductancia respectivamente).

Los transistores son componentes claves en muchos circuitos amplificadores. Hay una variedad casi infinita de transistores amplificadores, pero afortunadamente, mucho de ellos son basados en algunos de estos circuitos más primitivos. Acuérdese de estos circuitos, y con suerte, y un poco de reconocimiento de patrones, va a poder entender amplificadores más complejos.

Configuraciones Comunes

Tres de los transistores amplificadores más fundamentales son: emisor común, colector común, y base común. En cada una de estas tres configuraciones uno de los tres nodos está permanentemente conectado al voltaje común (generalmente tierra), y los otros dos nodos son o una entrada o una salida del amplificador.

Emisor Común

El emisor común es uno de los arreglos de transistor más popular. En este circuito el emisor es conectado a un voltaje común tanto para la base como el emisor (generalmente tierra). La base se convierte en la señal de entrada, y el colector en la salida.

El circuito de emisor común es popular debido a que es muy adecuado para la amplificación de voltaje, especialmente a frecuencias bajas. Son buenos para amplificar señales de audio por ejemplo. Si tiene una señal de entrada pico a pico pequeña de 1.5V, podría amplificarla a un voltaje mucho más alto usando un circuito un poco más complicado como:

Una peculiaridad del emisor común es que invierte la señal de entrada (¡Compáralo con el inversor de la última página de este tutorial!)

Colector común (Seguidor de Emisor)

Si conectamos el pin del colector a un voltaje común, usamos la base como entrada y el emisor como salida, tenemos un colector común. Esta configuración también se conoce como un seguidor de emisor.

El colector común no amplifica ningún voltaje (de hecho, el voltaje de salida será 0.6V más bajo que el voltaje de entrada). Por esta razón, el circuito es llamado a veces como seguidor de voltaje.

Este circuito tiene gran potencial como amplificador de corriente. Además de esto, la alta ganancia de corriente combinada con la ganancia de voltaje cercano a uno hace que este circuito sea un buen búfer de voltaje. Un búfer de voltaje previene que un circuito de carga interfiera de forma indeseable con el circuito que lo está conduciendo.

Por ejemplo, si quieres suministrar 1V a una carga, podría tomar el camino fácil y utilizar un divisor de voltaje, o podría usar un seguidor de emisor.

Mientras la carga aumenta (lo cual significa que la resistencia es más baja) la salida del circuito divisor de voltaje cae. Pero la salida de voltaje del seguidor de emisor se mantiene parejo, independiente de lo que sea la carga. Las cargas más grandes no “sobrecargan” un seguidor de emisor, como lo hacen en circuitos con impedancias de salida más grandes.

Base Común

Vamos a hablar sobre el base común para poder dar cierre a esta sección, pero este es el menos popular de las tres configuraciones fundamentales. En un amplificador de base común, el emisor es una entrada y el colector es una salida. La base es común para los dos.

La base común es como el anti- seguidor de emisor. Es un amplificador de voltaje decente, y la corriente que entra es casi la misma que la que sale (de hecho, la corriente que entra es un poco más grande que la que sale).

El circuito de base común funciona mejor como un búfer de corriente. Puede tomar una corriente de entrada en una impedancia de entrada baja, y suministrar casi la misma cantidad de corriente a una salida de impedancia más alta.

En Resumen

Estas tres configuraciones de amplificadores son el corazón de muchos transistores amplificadores más complicados. Cada uno tiene una aplicación donde se destacan, ya sea amplificando corriente, voltaje, o actuando como búfer.

Emisor Común	Colector Común	Base Común
Ganancia de Voltaje	Medio	Bajo	Alto
Ganancia de Corriente	Medio	Alto	Bajo
Impedancia de Entrada	Medio	Alto	Bajo
Impedancia de Salida	Medio	Bajo	Alto

Amplificadores Multietapa

Podríamos seguir hablando sobre la gran variedad de transistores amplificadores que existen. Aquí hay algunos ejemplos rápidos para mostrar que pasa cuando se combinan los amplificadores anteriores de una etapa:

Darlington

El amplificador Darlington conecta un colector común a otro para crear un amplificador de ganancia de alta corriente. 

La salida de voltaje es casi la misma que el voltaje de entrada (menos 1.2V-1.4V), pero la ganancia de corriente es el producto de dos ganancias de transistores. ¡Eso es 2β, más alto que 1000!

El par Darlington es una buena herramienta si necesita llevar una carga grande con una corriente de entrada muy pequeña.

Amplificador Diferencial

Un amplificador diferencial resta dos señales de entrada y amplifica esa diferencia. Es una parte crítica de los circuitos de retroalimentación, donde la entrada es comparada con la salida, para producir una salida.

Aquí está la base del amplificador diferencial:

Este circuito también se llama un “Long tailed pair”. Es un par de circuitos de emisor común que son comparados para producir una salida diferencial. Las dos entradas son aplicadas a las bases de los transistores; la salida es un voltaje diferencial a través de los dos colectores.

Amplificador Contrafase (Push-Pull o Empuja-Tira)

Un amplificador contrafase es una “etapa final” útil en muchos amplificadores multietapa. Es un amplificador de potencia eficiente, que es comúnmente usado para los altoparlantes.

Los amplificadores contrafases fundamentales usan un transistor NPN y un transistor PNP, los dos configurados como colector común:

El amplificador contrafase no amplifica realmente el voltaje (la salida de voltaje va a ser un poco menos que el de entrada), pero si amplifica corriente. Es especialmente útil en circuitos bipolares (los que tienen fuentes positivas y negativas), porque puede “empujar” la corriente a la carga dese la fuente positiva, y puede “tirar” la corriente y hundirla en la fuente negativa.

Si tiene una fuente bipolar (o incluso si no la tiene), el amplificador contrafase es una excelente etapa final para un amplificador, actuando como un búfer para la carga.

Juntándolos Todos (Un Amplificador Operacional)

Veamos un ejemplo clásico de un circuito de transistor multietapa: un Amplificador Operacional. Ser capaz de reconocer circuitos de transistores comunes, y entender sus propósitos te pueden llevar muy lejos. Aquí hay un circuito del interior de un LM3558, un amplificador operacional muy simple.

El interior de un amplificador operacional LM358. ¿Reconoce algunos amplificadores?

Ciertamente hay más complejidad acá de lo que puedes estar preparado para digerir, Sin embargo puedes revisar las siguientes topologías familiares:

• Q1, Q2, Q3, y Q4 forman la etapa de entrada. Se parece harto a un colector común (Q1 y Q4) que entra un amplificador diferencial, ¿verdad? Solo se ve al revés porque está usando un PNP. Estos transistores ayudan a formar la entrada de la etapa diferencial del amplificador.
• Q11 y Q12 son parte de la segunda etapa. Q11 es un colector común y Q12 es un emisor común. Este par de transistores hace un búfer de la señal del colector de Q3, y provee una alta ganancia mientras la señal va a la etapa final.
• Q6 y Q13 son parte de la etapa final, y también deberían verse familiares (especialmente si ignora R_SC), ¡es un contrafase! Esta etapa actúa como búfer para la salida, permitiendo que conduzca cargas más grandes.
• Hay una variedad de otras configuraciones comunes ahí de las cuales no hemos conversado. Q8 y Q9 están configuradas como un espejo de corriente, que simplemente copia la cantidad de corriente de un transistor al otro.

Después de este curso de transistores, no esperamos que entiendas todo  lo que está sucediendo en este circuito, pero si podrás comenzar a identificar circuitos de transistores comunes.

Recursos y más información

Si estás buscando más información sobre transistores, te recomendamos revisar los siguientes links:

• Getting Started in Electronics by Forrest Mims – Este libro explica los conceptos de la electrónica de manera fácil y altamente aplicable en la vida diaria. Definitivamente debes de chequear este libro si lo que buscas es profundizar más en los transistores.
• LTSpice y Falstad Circuit – Estos dos link corresponden a dos programas computacionales con los cuales podrás simular circuitos. También podrás realizar pruebas y experimentos digitales con los que profundizaras más tus conocimientos.
• 2N3904 Datasheet – Otra manera de aprender aún más acerca de los transistores, es buscar el Datasheet o la guía de especificaciones del producto. El transistor NPN 2N3904 es comúnmente usado en proyectos (también se encuentra su contraparte PNP 2N3906). Puedes revisar los Datasheets y reconocer las características principales que coincidan con tus conocimientos.