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Componentes Electrónicos, Transistores
Polarización de un Transistor NPN. Corte, Activa y Saturación.
06
Dic
Dic
Polarización de un Transistor NPN
La polarización de un transistor NPN es uno de los conceptos fundamentales en electrónica analógica y digital, ya que determina la forma en que el transistor se comporta dentro de un circuito. Mediante una correcta polarización, el transistor puede funcionar como amplificador de señal o como interruptor electrónico, aplicaciones muy comunes en proyectos educativos, fuentes de alimentación y sistemas de control.
Un transistor NPN está formado por tres terminales: base (B), colector (C) y emisor (E). Para que el transistor conduzca corriente, es necesario aplicar una tensión adecuada entre la base y el emisor. Cuando esta tensión supera aproximadamente los 0.6 a 0.7 voltios, el transistor comienza a permitir el paso de corriente entre el colector y el emisor.
Dependiendo del valor de la tensión aplicada y de las corrientes que circulan por sus terminales, el transistor NPN puede operar en tres zonas de polarización bien definidas: zona de corte, zona activa y zona de saturación. Cada una de estas zonas tiene un comportamiento distinto y un uso específico dentro de los circuitos electrónicos.
En este artículo se analiza de forma práctica y sencilla la polarización de un transistor NPN, utilizando ejemplos con resistencias y un LED, lo que facilita la comprensión del funcionamiento real del dispositivo.
Zonas de polarización de un transistor NPN
El comportamiento de un transistor NPN depende directamente de la corriente de base y de la tensión base-emisor (VBE). Según estos valores, el transistor puede trabajar en una de las siguientes zonas de polarización.
Zona de corte
La zona de corte ocurre cuando la tensión entre la base y el emisor es menor a 0.6 V. En esta condición, el transistor no conduce corriente, ya que la unión base-emisor no está polarizada directamente.
En la práctica, esto significa que:
- No circula corriente de base.
- No circula corriente de colector.
- El transistor se comporta como un interruptor abierto.
En el circuito experimental, esta situación se observa cuando la base queda sin polarización. Como consecuencia, el LED permanece apagado, confirmando que el transistor no está conduciendo. Esta zona se utiliza cuando se desea que el transistor esté completamente apagado.
Zona activa
La zona activa es la región en la que el transistor NPN funciona como amplificador. En esta zona, la tensión base-emisor supera los 0.6 V, permitiendo el paso de una pequeña corriente por la base.
Las características principales de esta zona son:
- Existe corriente de base (IB).
- La corriente de colector (IC) es proporcional a la corriente de base.
- Se cumple la relación:
IC = β × IB, donde β es la ganancia del transistor.
En el experimento, al conectar una resistencia de base de alto valor, el LED se enciende de forma tenue. Esto indica que el transistor está conduciendo, pero con una corriente limitada. Al reducir la resistencia de base, la corriente aumenta y el LED brilla con mayor intensidad, demostrando el control que ejerce la base sobre la corriente del colector.
Zona de saturación
La zona de saturación se presenta cuando la corriente de base es suficientemente grande como para que el transistor conduzca al máximo permitido por el circuito externo. En este estado, aunque se incremente la corriente de base, la corriente de colector ya no aumenta.
En esta condición:
- El transistor se comporta como un interruptor cerrado.
- La corriente está limitada por la resistencia del colector.
- El LED alcanza su máxima luminosidad posible.
En el circuito experimental, al añadir más resistencias en paralelo en la base, se observa que el LED no incrementa su brillo. Esto confirma que el transistor ha entrado en saturación y que la corriente de colector está limitada por la resistencia de carga.
La zona de saturación es ampliamente utilizada en aplicaciones de conmutación, como control de relés, motores y encendido de LEDs.
Corrientes en el transistor NPN
En un transistor NPN, el funcionamiento interno se basa en la circulación de corriente a través de sus tres terminales: base (B), colector (C) y emisor (E). Comprender cómo se relacionan estas corrientes es fundamental para analizar y diseñar correctamente cualquier circuito electrónico.
Cuando el transistor se encuentra polarizado y en conducción, aparecen tres corrientes principales: la corriente de base (IB), la corriente de colector (IC) y la corriente de emisor (IE).
Corriente de base (IB)
La corriente de base es la corriente que ingresa por el terminal de la base del transistor. Aunque su valor es relativamente pequeño, cumple un papel esencial, ya que es la encargada de controlar la corriente que circulará entre el colector y el emisor.
Las características más importantes de la corriente de base son:
- Tiene un valor bajo en comparación con la corriente de colector.
- Depende de la resistencia conectada a la base.
- Determina la zona de funcionamiento del transistor (corte, activa o saturación).
Si la corriente de base es nula, el transistor permanece en zona de corte. Al aumentar la corriente de base, el transistor pasa a zona activa y, finalmente, a zona de saturación.
Corriente de colector (IC)
La corriente de colector es la corriente principal del transistor NPN. Esta corriente entra por el colector, atraviesa el transistor y sale por el emisor hacia el terminal negativo de la fuente de alimentación.
En la zona activa, la corriente de colector está directamente relacionada con la corriente de base mediante la expresión:
IC = β × IB
donde β (beta) es la ganancia de corriente del transistor. Este valor no es constante y puede variar según el modelo del transistor, la temperatura y el punto de operación.
En los circuitos prácticos, la corriente de colector suele estar limitada por una resistencia de carga, lo que impide que el transistor se dañe por exceso de corriente.
Corriente de emisor (IE)
La corriente de emisor es la corriente que sale del terminal del emisor y corresponde a la suma de la corriente de base y la corriente de colector:
IE = IB + IC
Dado que la corriente de base es mucho menor que la de colector, se puede considerar, en muchos casos prácticos, que:
IE ≈ IC
Esta aproximación es válida en la mayoría de los circuitos electrónicos y facilita el análisis del funcionamiento del transistor.
Relación entre las corrientes del transistor
El principio fundamental del transistor NPN es que una pequeña corriente de base permite controlar una corriente mucho mayor en el colector. Esta característica es la que hace posible el uso del transistor como amplificador o como interruptor electrónico.
Cuando la corriente de base aumenta:
- La corriente de colector aumenta proporcionalmente (zona activa).
- Hasta llegar a un punto en el que ya no puede aumentar más (zona de saturación).
Por esta razón, es importante seleccionar adecuadamente las resistencias de base y colector para asegurar un funcionamiento seguro y eficiente del transistor.
Circuito emisor común (polarización práctica)
El circuito emisor común es la configuración más utilizada para estudiar la polarización de un transistor NPN, ya que permite observar con claridad cómo una pequeña corriente de base controla una corriente mayor en el colector.
En esta configuración:
- El emisor se conecta al terminal negativo de la fuente de alimentación.
- El colector se conecta a la tensión positiva a través de una resistencia.
- La base recibe una tensión de polarización mediante una o varias resistencias.
Este tipo de circuito se emplea ampliamente tanto en amplificadores como en aplicaciones de conmutación, debido a su simplicidad y eficiencia.
Funcionamiento básico del emisor común
Para que un transistor NPN funcione correctamente en un circuito emisor común, la unión base-emisor debe estar polarizada directamente. Esto ocurre cuando la tensión en la base supera aproximadamente los 0.6 a 0.7 V respecto al emisor.
Una vez superado este valor:
- Aparece una corriente de base (IB).
- El transistor entra en conducción.
- Se establece una corriente de colector (IC) mayor que la corriente de base.
La corriente de colector circula desde la fuente de alimentación, atraviesa la resistencia de colector, ingresa por el colector del transistor y sale por el emisor hacia el negativo de la fuente.
Papel de la resistencia de base
La resistencia de base cumple una función esencial en la polarización práctica del transistor NPN. Su objetivo principal es limitar la corriente de base, evitando que el transistor se dañe por un exceso de corriente.
Al variar el valor de la resistencia de base:
- Un valor alto produce una corriente de base pequeña.
- Un valor bajo incrementa la corriente de base.
- Al aumentar la corriente de base, aumenta la corriente de colector.
Este comportamiento permite controlar el punto de funcionamiento del transistor y observar claramente el paso por las zonas de corte, activa y saturación.
Papel de la resistencia de colector
La resistencia de colector limita la corriente máxima que puede circular por el transistor. Incluso si la corriente de base aumenta considerablemente, la corriente de colector no puede superar el valor impuesto por esta resistencia y la tensión de alimentación.
De forma aproximada, la corriente máxima de colector puede estimarse aplicando la ley de Ohm:
IC(max) ≈ VCC / RC
Cuando el transistor alcanza este límite, entra en zona de saturación y se comporta como un interruptor cerrado.
Observación práctica con LED
En el montaje experimental del circuito emisor común, un LED conectado en el colector permite visualizar el funcionamiento del transistor:
- LED apagado: transistor en zona de corte.
- LED encendido débilmente: transistor en zona activa.
- LED con brillo máximo: transistor en zona de saturación.
Este método visual facilita la comprensión del efecto que tiene la polarización de la base sobre la corriente de colector y el comportamiento general del transistor NPN.
Ventajas del circuito emisor común
El circuito emisor común presenta varias ventajas que explican su uso frecuente:
- Permite un control preciso de la corriente de colector.
- Es fácil de analizar y montar.
- Presenta ganancia de corriente y de tensión.
- Es ideal para aplicaciones educativas y prácticas.
Por estas razones, el circuito emisor común es la configuración más empleada para explicar y experimentar con la polarización práctica de un transistor NPN.
Lista de componentes del circuito
En la siguiente tabla se detallan los componentes utilizados en los experimentos de polarización de un transistor NPN, junto con sus valores eléctricos y características principales. Esta organización facilita el montaje del circuito y la comprensión de la función de cada elemento.
| Componente | Descripción | Valor / Característica |
| R1 | Resistencia de base | 1.2 MΩ – 5% – 1/4 W |
| R2 | Resistencia de colector | 820 Ω – 5% – 1/4 W |
| R3 | Resistencia de base (paralelo) | 1.2 MΩ – 5% – 1/4 W |
| R4 | Resistencia de base (paralelo) | 47 kΩ – 5% – 1/4 W |
| R5 | Resistencia de base (paralelo) | 22 kΩ – 5% – 1/4 W |
| R6 | Resistencia de emisor | 1 kΩ – 5% – 1/4 W |
| Q1 | Transistor NPN | BC547, 2N2222 o equivalente |
| LED | Diodo emisor de luz | Rojo, 5 mm |
| VCC | Fuente de alimentación | 9 V DC |
Datos técnicos del montaje
Los siguientes datos técnicos describen las condiciones eléctricas de funcionamiento del circuito utilizado en los experimentos. Estos valores permiten operar el transistor de forma segura y observar claramente sus distintas zonas de polarización.
| Parámetro | Valor |
| Tensión de alimentación máxima (VCC) | 12 V DC |
| Tensión de alimentación mínima (VCC) | 4.5V |
| Tensión base-emisor (VBE) | 0.6 – 0.7 V |
| Corriente máxima de colector | Limitada por R2 |
| Corriente típica del LED | 5 – 10 mA |
| Consumo aproximado del circuito | 10 mA |
| Potencia de resistencias | 1/4 W |
Notas importantes sobre los componentes
- Las resistencias de base se conectan en paralelo para modificar progresivamente la corriente de base y observar los cambios en el comportamiento del transistor.
- La resistencia de colector limita la corriente máxima del circuito y protege tanto al transistor como al LED.
- El transistor NPN puede ser reemplazado por cualquier modelo de propósito general con características similares.
- Es importante no sobrepasar la corriente máxima de base especificada por el fabricante del transistor.
Esta selección de componentes permite realizar los experimentos de forma segura y observar claramente las zonas de corte, activa y saturación del transistor NPN
Circuitos utilizados en los experimentos de polarización de un transistor NPN
Experimentos prácticos: análisis de los circuitos A, B y C
Para comprender de forma práctica la polarización de un transistor NPN, se analizan tres configuraciones experimentales basadas en el circuito emisor común. Cada circuito permite observar el comportamiento del transistor en las distintas zonas de funcionamiento: corte, activa y saturación.
El uso de un LED como carga facilita la visualización de la corriente de colector y permite identificar claramente el estado del transistor en cada caso.
Circuito A: Variación de la resistencia de base
El circuito A se utiliza para analizar cómo la corriente de base influye directamente en la corriente de colector y, por lo tanto, en el estado del transistor NPN.
Transistor en zona de corte
Cuando la base no recibe polarización (sin resistencias conectadas a la base), la tensión base-emisor es inferior a 0.6 V. En esta condición:
- No circula corriente de base.
- No circula corriente de colector.
- El LED permanece apagado.
El transistor se encuentra en zona de corte, comportándose como un interruptor abierto.
Transistor en zona activa
Al conectar una resistencia de base de valor alto, la corriente de base es pequeña. Como resultado:
- El transistor comienza a conducir.
- La corriente de colector es limitada.
- El LED se enciende de forma tenue.
Al añadir más resistencias en paralelo y reducir el valor total de la resistencia de base, la corriente de base aumenta y el LED incrementa su brillo, indicando que el transistor trabaja en zona activa.
Transistor en zona de saturación
Cuando la resistencia de base se reduce aún más, la corriente de base aumenta considerablemente. Sin embargo, la corriente de colector ya no puede incrementarse debido a la resistencia del colector.
En este punto:
- El LED alcanza su brillo máximo.
- No se observa aumento de luminosidad al añadir más resistencias de base.
- El transistor entra en zona de saturación.
Circuito B: LED conectado al emisor
En el circuito B, el LED se conecta en el emisor del transistor en lugar de hacerlo en el colector. Esta configuración permite observar el comportamiento de la corriente de emisor.
Dado que la corriente de emisor es la suma de la corriente de colector y la corriente de base, y que la corriente de base es muy pequeña, los cambios en la iluminación del LED son poco apreciables.
En este experimento se observa que:
- El brillo del LED varía ligeramente.
- La influencia de la corriente de base es mínima.
- La corriente de emisor es prácticamente igual a la corriente de colector.
Este circuito refuerza el concepto de que IE ≈ IC en la mayoría de los casos prácticos.
Circuito C: Resistencia en el emisor
El circuito C incorpora una resistencia en el emisor, lo que introduce un efecto de realimentación que limita la corriente total del circuito.
Al añadir esta resistencia:
- La corriente de emisor se reduce.
- El brillo del LED disminuye.
- El circuito se vuelve más estable frente a variaciones de corriente de base.
Aunque el transistor puede seguir entrando en saturación, la resistencia de emisor impide que la corriente aumente excesivamente, protegiendo tanto al transistor como al LED.
Este tipo de configuración es muy utilizada en circuitos reales, ya que mejora la estabilidad térmica y el control de corriente.
