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4.2: El transistor de unión bipolar (BJT) como interruptor

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    Debido a que la corriente de colector de un transistor está limitada proporcionalmente por su corriente base, se puede usar como una especie de interruptor controlado por corriente. Un flujo relativamente pequeño de electrones enviados a través de la base del transistor tiene la capacidad de ejercer control sobre un flujo mucho mayor de electrones a través del colector.

    Uso de un BJT como Switch: Un Ejemplo

    Supongamos que teníamos una lámpara que queríamos encender y apagar con un interruptor. Dicho circuito sería sumamente sencillo, como en la figura siguiente (a).

    En aras de la ilustración, insertemos un transistor en lugar del interruptor para mostrar cómo puede controlar el flujo de electrones a través de la lámpara. Recuerde que la corriente controlada a través de un transistor debe ir entre colector y emisor.

    Ya que es la corriente a través de la lámpara lo que queremos controlar, debemos posicionar el colector y emisor de nuestro transistor donde estaban los dos contactos del interruptor. También debemos asegurarnos de que la corriente de la lámpara se mueva contra la dirección del símbolo de flecha del emisor para asegurar que la polarización de la unión del transistor sea correcta como en la figura siguiente (b).

    03075.webp

    (a) interruptor mecánico, (b) interruptor de transistor NPN, (c) interruptor de transistor PNP.

    También se podría haber elegido un transistor PNP para el trabajo. Su aplicación se muestra en la figura anterior (c).

    La elección entre NPN y PNP es realmente arbitraria. Todo lo que importa es que se mantengan las direcciones de corriente adecuadas en aras de una correcta polarización de unión (el flujo de electrones va contra la flecha del símbolo del transistor).

    Volviendo al transistor NPN en nuestro circuito de ejemplo, nos encontramos ante la necesidad de agregar algo más para que podamos tener corriente base. Sin una conexión al cable base del transistor, la corriente base será cero, y el transistor no puede encenderse, resultando en una lámpara que siempre está apagada. Recuerde que para un transistor NPN, la corriente base debe consistir en electrones que fluyen de emisor a base (contra el símbolo de flecha del emisor, al igual que la corriente de la lámpara).

    Quizás lo más sencillo a hacer sería conectar un interruptor entre los cables base y colector del transistor como en la figura siguiente (a).

    03078.webp

    Transistor: (a) corte, lámpara apagada; (b) saturada, lámpara encendida.

    Transistores de corte vs saturados

    Si el interruptor está abierto como en la figura anterior (a), el cable base del transistor quedará “flotante” (no conectado a nada) y no habrá corriente a través del mismo. En este estado, se dice que el transistor es de corte.

    Si el interruptor está cerrado como en la figura anterior (b), los electrones podrán fluir desde el emisor a través de la base del transistor, a través del interruptor, hasta el lado izquierdo de la lámpara, de vuelta al lado positivo de la batería. Esta corriente base permitirá un flujo mucho mayor de electrones desde el emisor hasta el colector, iluminando así la lámpara. En este estado de corriente máxima del circuito, se dice que el transistor está saturado.

    Por supuesto, puede parecer inútil usar un transistor en esta capacidad para controlar la lámpara. Después de todo, seguimos usando un interruptor en el circuito, ¿no? Si todavía estamos usando un interruptor para controlar la lámpara, aunque solo sea de manera indirecta, ¿qué sentido tiene tener un transistor para controlar la corriente? ¿Por qué no volver a nuestro circuito original y usar el interruptor directamente para controlar la corriente de la lámpara?

    ¿Por qué usar un transistor para controlar la corriente?

    Aquí se pueden hacer dos puntos, en realidad. Primero está el hecho de que cuando se usan de esta manera, los contactos del interruptor solo necesitan manejar la poca corriente de base necesaria para encender el transistor; el transistor en sí maneja la mayor parte de la corriente de la lámpara. Esto puede ser una ventaja importante si el interruptor tiene una clasificación de corriente baja: se puede usar un interruptor pequeño para controlar una carga de corriente relativamente alta.

    Más importante aún, el comportamiento de control de corriente del transistor nos permite usar algo completamente diferente para encender o apagar la lámpara. Considera la siguiente figura, donde un par de células solares proporciona 1 V para superar los 0.7 V BE del transistor para provocar un flujo de corriente base, que a su vez controla la lámpara.

    03079.png

    Célula solar sirve como sensor de luz.

    O bien, podríamos usar un termopar (muchos conectados en serie) para proporcionar la corriente base necesaria para encender el transistor en la figura siguiente.

    03080.webp

    Un solo termopar proporciona menos de 40 mV. Muchos en serie podrían producir un exceso del transistor V BE de 0.7 V para causar flujo de corriente base y la consiguiente corriente de colector a la lámpara.

    Incluso un micrófono (vea la figura a continuación) con suficiente salida de voltaje y corriente (de un amplificador) podría encender el transistor, siempre que su salida se rectifique de CA a CC para que la unión PN emisor-base dentro del transistor siempre esté polarizada hacia adelante:

    03081.png

    La señal de micrófono amplificada se rectifica a CC para polarizar la base del transistor proporcionando una corriente de colector más grande.

    El punto ya debería ser bastante evidente: Cualquier fuente suficiente de corriente CC puede usarse para encender el transistor, y esa fuente de corriente solo necesita ser una fracción de la corriente necesaria para energizar la lámpara.

    Aquí vemos que el transistor funciona no sólo como un interruptor, sino como un verdadero amplificador: usando una señal de potencia relativamente baja para controlar una cantidad de potencia relativamente grande. Tenga en cuenta que la potencia real para encender la lámpara proviene de la batería a la derecha del esquema. No es como si la pequeña corriente de señal de la célula solar, termopar o micrófono se estuviera transformando mágicamente en una mayor cantidad de energía. Más bien, esas pequeñas fuentes de energía simplemente están controlando la energía de la batería para iluminar la lámpara.

    El BJT como Switch REVISIÓN:

    • Los transistores se pueden usar como elementos de conmutación para controlar la alimentación de CC a una carga. La corriente conmutada (controlada) va entre emisor y colector; la corriente controladora va entre emisor y base.
    • Cuando un transistor tiene corriente cero a través de él, se dice que está en un estado de corte (completamente no conductor).
    • Cuando un transistor tiene corriente máxima a través de él, se dice que está en un estado de saturación (totalmente conductor).

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