Transistores NPN y PNP

Los transistores NPN y PNP fueron inventados en 1951, por William Schockley. También conocidos como transistores bipolares (Bipolar Junction Transistor, BJT), son un dispositivo semiconductor que es capaz de amplificar señales electrónicas. Es uno de los componentes electrónicos más importantes que hay, debido a la gran cantidad de aplicaciones en los que se puede usar. Además, a raíz de su invención, se han creado otros muchos componentes, tales como los circuitos integrados, como por ejemplo los microprocesadores que llevan los ordenadores, los cuales, están formados por millones de transistores.

Símbolos de los transistores NPN y PNP

Existen dos tipos de transistor bipolar, los de tipo NPN, y los del tipo PNP. En la figura se muestran los símbolos de ambos tipos, igualmente, se indican las corrientes, las tensiones y sus polaridades, las cuales hay que tener en cuenta a la hora de realizar el estudio de un circuito que contenga un transistor bipolar. El transistor bipolar T1 es de tipo NPN, mientras que el transistor T2 es PNP.

¿Cómo funcionan los transistores NPN y PNP?

Un transistor bipolar puede trabajar como un amplificador o como un interruptor electrónico (conmutación). Cuando se polariza el transistor con un circuito de continua, puede trabajar en tres zonas de funcionamiento:

• En corte
• Zona activa
• En saturación

En la imagen se muestran las curvas características de entrada (izquierda) y de salida (derecha) de un transistor bipolar. Como en el caso de los diodos, se pueden utilizar tres aproximaciones. No obstante, lo más común es utilizar la primera y segunda aproximación.

Para resolver un circuito con transistor bipolar vamos a seguir tres pasos:

1. Suponer una zona de funcionamiento
2. Utilizar las ecuaciones correspondientes a la zona de trabajo supuesta en el primer paso.
3. Comprobar numéricamente que la suposición realizada es correcta. Si no lo es, hay que suponer otra zona de trabajo y repetir los pasos de nuevo.

Zonas de funcionamiento de los transistores NPN y PNP

Veamos las tres zonas de funcionamiento y los circuitos equivalentes del transistor en dichas zonas de trabajo.

Transistores NPN o PNP en zona de corte

El transistor bipolar es un dispositivo controlado por corriente. Por lo tanto, con la corriente de base podemos hacer que el transistor conduzca o esté en corte. La condición para ello es:

• En los transistores bipolares tipo NPN y en los PNP, si la corriente de base, en el sentido indicado en la figura es menor que cero, el transistor estará en corte, no conducirá y todas las corrientes serán cero.

Transistores NPN o PNP en zona activa

Si el transistor conduce, puede estar en activa o saturación. Para que trabaje en zona activa se tiene que cumplir que:

V_CE > V_{CE sat}

Siendo la tensión colector-emisor de saturación (VCE _sat) cero en el caso de la primera aproximación, y un valor dado en el caso de la segunda aproximación. Un valor típico de esta tensión es de 0,2 voltios.

Si el transistor bipolar está polarizado en activa la ecuación a utilizar es:

I_C = β * I_B

Siendo β la ganancia en continua del transistor, y cumpliéndose también que:

I_E = I_C + I_B

En ocasiones, la corriente de base se suele despreciar frente a la corriente de colector en la ecuación anterior, al ser la de base, mucho más pequeña que la corriente de colector.

Transistores NPN o PNP en zona de saturación

Si el dispositivo conduce, y no está en activa, estará en saturación. Por ello, se tienen que cumplir estas dos ecuaciones:

V_CE < V_{CE sat}

I_C < β * I_B

Es evidente que mediante la tensión colector-emisor, se puede controlar la polarización del transistor en activa o en saturación.

Ejercicio resuelto con transistor NPN

Hallar en el circuito de la figura, el punto de funcionamiento (Q) del transistor bipolar, indicando para ello, la corriente de base, la corriente de colector y la tensión colector emisor. Los datos del transistor son los siguientes:

• V_BE (ON) = 0,7 V
• V_CE(sat) = 0,2 V
• β = 100

Solución al ejemplo

Lo primero que hay que hacer es comprobar si el transistor conduce o no. Para ello planteamos la ecuación en la malla de base y calculamos la corriente de base.

Malla de base

– V1 + I_B*R1 + V_BE = 0

– 5 + I_B*5000 + 0,7 = 0

I_B = (5 – 0,7) / 5000 = 0,86 mA > 0

La corriente por la base del transistor bipolar es mayor que cero en el sentido indicando, es decir, entrante al transistor, por lo tanto, el transistor conduce.

I_B = 0,86 mA

Seguidamente, debemos suponer una zona de funcionamiento, o activa o saturación. Empecemos suponiendo zona activa. De esta manera, se cumple que:

I_C = β * I_B = 100 * 0,86*10^-3 = 86 mA

Malla del colector

Debemos hallar el valor de la tensión colector-emisor para comprobar que la suposición es correcta. Planteamos la ecuación de la malla del colector.

– V2 + I_C*R2 + V_CE = 0

despejando la tensión colector-emisor tenemos:

V_CE = + V2 – I_C*R2 = 10 – (86*10^-3 * 10000) = – 850 V

V_CE = – 850 V < V_{CE sat} = 0,2 V

La tensión colector emisor es menor que la tensión colector-emisor de saturación. Por lo tanto, la suposición no es correcta. El transistor bipolar no esta polarizado en activa. Se comprueba que está en saturación, donde tenemos que:

V_{CE sat} = 0,2 V

con ese dato calculamos el valor de la corriente de colector. Planteamos de nuevo la ecuación de la malla del colector.

– V2 + I_C*R2 + V_CE = 0

I_C = (V2 – V_CE) / R2 = (10 – 0,2) / 10000 = 0,98 mA

I_C = 0,98 mA

Ahora comprobamos que se cumple la condición para que el transistor este en saturación.

I_C < β * I_B

0,98 mA < 100 * 0,86 mA

0,98 mA < 86 mA

Punto de funcionamiento (Q)

La condición de cumple, por lo tanto, el transistor bipolar esta trabajando en saturación, y su punto de trabajo (Q) es:

I_B = 0,86 mA

I_C = 0,98 mA

V_CE = 0,2 V

Puedes ver más ejercicios resueltos en mi canal de Youtube

Ejercicios de transistores NPN y PNP mediante divisor de tensión

Uno de los circuitos de polarización de un transistor bipolar más utilizados es el denominado circuito de polarización mediante divisor de tensión. El nombre es debido a que la base del transistor contiene un divisor de tensión formado por dos resistencias.
Veamos un ejercicio resuelto, en el que analizamos todo esto.

Transistor bipolar NPN ejercicio resuelto

Hallar la tensión colector-emisor del transistor de la figura, si la V_{BE (ON)} es igual a 0,7 V.

Para resolver un circuito de polarización mediante divisor de tensión en un transistor bipolar, se pueden realizar siguiendo unos sencillos pasos.

Primer paso: obtener la tensión en la base

La tensión en la base del transistor coincide con la tensión que soporta la resistencia R2. Por lo tanto, aplicando la regla del divisor de tensión en R1 y R2:

V_B = 10 * [R2 / (R1 + R2)] = 10 * [2000 / (5000 + 2000)] = 2,86 V

V_B = 2,86 V

Segundo paso: hallar la tensión del emisor

Planteamos la ecuación de la malla de la base del transistor, recorriendo en sentido horario, tal y como indica la flecha verde para hallar el valor de la tensión en el emisor.

-V_B + V_BE + V_E = 0

V_E = V_B – V_BE = 2,86 – 0,7 = 2,16 V

la tensión entre el emisor y tierra es:

V_E = 2,16 V

Tercer paso: calcular la corriente del emisor

Como tenemos el valor de la tensión en el emisor y de la resistencia del emisor, el calculo es directo aplicando la ley de Ohm.

I_E = V_E / R4 = 2,16 / 1000 = 2,16 mA

I_E = 2,16 mA

El sentido de la corriente del emisor en un transistor bipolar de tipo NPN es saliente del transistor.

Cuarto paso: obtener la corriente del colector

Como ya mencioné anteriormente, en ocasiones se desprecia la corriente de base frente a la corriente de colector. En este caso lo haremos así. Por lo tanto:

I_E = I_C = 2,16 mA

Esta aproximación de puede realizar cuando nos lo digan expresamente o en ejercicios en los cuales no tenemos el dato de la ganancia (β) del transistor bipolar.

Quinto paso: hallar la tensión del colector

Lo siguiente es hallar la tensión que hay entre el colector y la tierra, como se muestra en la figura, la cual se calcula con la siguiente ecuación:

V_C = 10 – (I_C*R3) = 10 – (2,16*10^-3 * 2000) = 5,68 V

V_C = 5,68 V

Sexto paso: calcular la tensión colector-emisor

Por último, se calcula la tension que soporta el transistor entre el colector y el emisor. Para ello, tan solo necesitamos realizar la resta de la tensiones de colector y emisor calculadas anteriormente.

VCE = VC – VE = 5,68 – 2,16 = 3,52 V

VCE = 3,52 V

Conclusiones

Como se puede comprobar, los cálculos de este análisis no dependen de las variaciones en el transistor, la corriente de colector o la temperatura. Por consiguiente, el punto de trabajo (Q) obtenido con este circuito de polarización, resulta muy estable. Es por ello que, este circuito de polarización, es de los más utilizados con transistores bipolares.

Ejercicio transistor NPN: polarización de emisor

Calcular en el circuito de la figura las siguientes cuestiones:

1. Resistencia de colector
2. La resistencia de emisor
3. Tensión en la base del transistor bipolar
4. La tensión colector-emisor
5. El valor de la resistencia de base

Datos:

• V_BE (ON) = 0,7 V
• V_CE(sat) = 0,2 V
• β = 50

Primer apartado

Para calcular el valor de la resistencia de colector, hay que aplicar directamente la ley de Ohm en dicha resistencia. Tenemos el dato de las tensiones que soportan cada una de las patillas de dicha resistencia. Por un lado, 12 V y por otro, 7 V. Hay que recordar que cuando tenemos una tensión indicada de esta manera en un punto del circuito, siempre está referenciada a tierra, es decir, es la tensión existente entre ese punto dado (12 V o 7 V o 2 V) y la tierra o masa del circuito. Por lo tanto:

R_C = (12 – 7) / 2*10^-3 = 2500 Ω

Segundo apartado

Se necesita primeramente el valor de la corriente de emisor del transistor bipolar para poder aplicar la ley de Ohm en dicha resistencia. Como tenemos el dato de la ganancia y el valor de la corriente de colector, se pueden hallar las corrientes de base y de emisor.

I_C = β * I_B

I_B= I_C / β = 2*10^-3 / 50 = 4*10^-5 A

así que la corriente de emisor es:

I_E = I_C + I_B = 2*10^-3 + 4*10^-5 = 2,04 mA

Finalmente la resistencia de emisor, aplicando la ley de Ohm es:

R_E = 2 / I_E = 2 / 2,04*10^-3 = 980,39 Ω

Tercer apartado

Para calcular la tensión de la base del transistor bipolar, podemos realizar el sumatorio de tensiones que se indican en la figura.

Por consiguiente, la ecuación es la siguiente:

12 = V_B + V_BE + V_E

V_B = 12 – V_BE – V_E = 12 – 0,7 – 2 = 9,3 V

Cuarto apartado

En este apartado tenemos que hacer algo similar al anterior, planteando el sumatorio de tensiones, pero en la malla de la derecha, la del colector y emisor del transistor bipolar.

Por lo tanto, aplicando la segunda ley de Kirchhoff a esa malla tenemos:

12 = V_RC + V_CE + V_E

V_CE = 12 – V_RC – V_E = 12 – I_C*RC – V_E = 12 – (2*10^-3 * 2500) – 2

V_CE = 5 V

Quinto apartado

Ya hemos calculado previamente el valor de la corriente de base y el de la tensión de base. Por lo tanto, para hallar el valor de la resistencia de la base del transistor bipolar, tan solo hay que aplicar la ley de Ohm en dicha resistencia.

R_B = V_B / I_B = 9,3 / 4*10^-5 = 232,5 kΩ