El transistor BJT y su uso en la electrónica

El propósito de este artículo será explicar el funcionamiento del transistor BJT como un elemento semiconductor destacando sus características y posibles usos en circuitos electrónicos, además de conocer un poco sobre la historia del mismo y su trascendencia en la actualidad.
Un poco de historia

El siglo XX ha sido la centuria que más avances ha traído a la humanidad en cuando a electrónica se refiere. Hubo cientos de descubrimientos durante este periodo, pero sin duda, el que representó el mayor avance de todos fue el descubrimiento del transistor. Esto abrió paso a la creación de las computadoras, a la reducción en tamaño, costes y consumo en los equipos electrónicos y a la tecnología tal y como la conocemos hoy en día. Sin el transistor ni siquiera tendríamos Arduino.

Un transistor tiene múltiples usos; cuando se descubrió se trataba de remplazar los tubos de vacío que existían en la época.

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Estos dispositivos eran grandes, requerían voltajes altísimos para su funcionamiento, eran costosos y generaban mucho calor. Sin embargo, a pesar de sus desventajas era el único dispositivo capaz de llevar a cabo la tarea para la cual había sido diseñado: funcionar como un interruptor que le permitiera al usuario abrir o cerrar un circuito aplicando un voltaje.

Con el descubrimiento del transistor, los tubos de vacío pasaron a la historia (a pesar que recientemente están siendo utilizados nuevamente para conmutar altos voltajes).

El transistor, entre sus múltiples funciones, permite al usuario utilizar un interruptor controlado por voltaje. Tiene 3 patas, el emisor, el colector y la base.

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Aunque parezca increíble, la primera calculadora electrónica tenía un precio de 140 000 dólares. Para que estos dispositivos fuesen rentables ante las entonces calculadoras mecánicas, debían venderse a un precio de 980 dólares. ¿Les gustaría ver como lucía la primera calculadora?

Sumlock ANITA, la primera calculadora electrónica
Sumlock ANITA, la primera calculadora electrónica

La Sumlock ANITA pesaba varios kilos, consumía mucha energía y era muy cara. Solo hay que ver como lucían por dentro:

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Sumamente complejas. Tenían poca capacidad de cálculo y no creo que fuesen fáciles de utilizar. Sino miren ese teclado. ¿Luego del descubrimiento del transistor?

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Mucho más livianas, potentes y un millón de veces más baratas (suponiendo un precio de 15 dólares, lo cual compraría una calculadora más sofisticada que la de la imagen). Lo que me sorprende es cómo se ha avanzado desde la Sumlock ANITA hasta una Texas Instruments TI-Nspire CX CAS como la que utilizo en mi universidad.

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Imagínense, son sólo 50 años los que separan a una calculadora de 150000 dólares, lenta, ineficiente, pesada y que consumía muchísima energía, a una de 150 dólares que tiene  una capacidad de procesamiento de varios órdenes de magnitud mayor a la Sumlock, puede hacer cientos de cosas más, tiene una mayor capacidad de almacenamiento que los primeros discos duros que se inventaron y tiene más poder de procesamiento que la computadora con la que contaba la primera nave espacial que llevó al hombre a la luna(!!!), el módulo lunar Eagle de la misión Apolo 11. Es absurdo.

En fin, el descubrimiento del transistor llevó a un crecimiento exponencial de la tecnología y es lo que hoy nos tiene utilizando estos dispositivos:

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Sobre el BJT

En este blog ya he descrito el transistor BJT como un dispositivo de control para Arduino. Hasta ahora sabemos que existen dos tipos de transistores BJT, el NPN y el PNP.

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Como ya dijimos, las terminales del transistor BJT se conocen como Base, Emisor y Colector.

trans

En el transistor se cumple una serie de condiciones relacionadas con las corrientes y voltajes en los diferentes terminales.

Posee diferentes usos, de los cuales ya hemos destacado su capacidad de conmutar circuitos.

En los siguientes videos se puede apreciar como encender un LED y posteriormente un Motor, ambos requiriendo 9 voltios utilizando solamente los 5 voltios que proporciona Arduino:

Ahora vamos a ver un análisis más detallado del funcionamiento del transistor. Como pudimos observar en los videos, cuando se aplica el voltaje que proporciona Arduino a la base del transistor, ocurre algo similar a cuando se cierra un interruptor, se produce una corriente entre el colector y el emisor del transistor.

Para que se produzca dicha corriente se debe cumplir una condición especial: debe haber una diferencia de potencial entre el base y el emisor de al menos 0.7 voltios.

¿Que significa esto? Veamos.

pnp

En esta situación el LED permanece apagado a pesar de que hay un voltaje aplicado a la base del transistor. El voltímetro de la figura esta marcando una diferencia de potencial de 0.5 voltios, lo cual según la teoría que existe acerca de transistores, no es suficiente para hacer que el transistor entre en saturación.

Si reducimos el voltaje en la base de forma tal que dicho voltímetro marque 0.7 voltios, el resultado será el siguiente:

pnp

Como podemos observar, al marcar el voltímetro una diferencia de potencial de 700 mV (0.7 voltios) entonces el transistor empieza a conducir ya que ese es el punto de disparo para el estado de saturación.

Esto es una característica propia de todos los transistores BJT, solo conducirán corriente si y solo si hay una diferencia de potencial de 0.7 voltios entre la Base y el Emisor.

El transistor BJT como amplificador de corriente

Los transistores BJT poseen la capacidad de amplificar la corriente que pasa entre los terminales emisor y colector, las cuales dependerán de la corriente aplicada a la base del transistor.

Veamos un ejemplo:

pnp

Cuando no hay corriente aplicada a la base del transistor, no hay corriente fluyendo entre emisor y colector.

pnp

Cuando se aplica una pequeña corriente a la base entonces se inicia la conducción entre emisor y colector.

pnp

Como podemos observar, la corriente en el colector está determinada por la Ley de Ohm. I = V/R, donde el voltaje es 9 voltios y la resistencia 1000 Ohm, lo que da como resultado 9mA que es la corriente en el colector.

Sin embargo en el emisor la corriente no es la misma, sino que ha sido amplificada. Esta amplificación es el resultado de sumar la corriente de la base más la corriente del colector.

pnp

Aquí se aprecia que la corriente en el emisor es 129.59 mA.

Si sumamos la corriente de la base y la del colector, obtenemos:

49.02+80.58=129.6 mA

Para cualquier diseño que necesitemos hacer es prudente conocer el comportamiento del transistor según las diferentes configuraciones que se puedan dar.

Utilizando un simulador de circuitos y tomando como referencia el modelo 2N2905A, presentamos la siguiente gráfica:

pnp

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Con la ayuda de Excel podemos apreciar el comportamiento del transistor. La conducción inicia progresivamente desde un voltaje Base-Emisor nulo hasta irse acercando a los 0.7 voltios. En dicho instante el transistor entra en saturación y se comporta como un conductor.

El voltímetro que colocamos entre la base y el emisor es el encargado de mostrar el voltaje Base-Emisor, el cual varía progresivamente a medida que se varía el voltaje en la Base del transistor.

Los usos que tengan estas características los estudiaremos en nuestros próximos aportes.

Si tienen alguna duda por favor dejen sus comentarios.

Saludos.

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  • Luis M Peña

    Hola, excelente artículo, pero con una excepción: hablas del descubrimiento del transistor y eso no está correcto. Se descubre lo que ya existe. Es como si algo está escondido por mucho tiempo y de pronto lo hayamos. El transistor es un invento del hombre, no un descubrimiento. Lo que descubrió fue el uso del silicio como semi-conductor y de ahí vino la idea de inventar el transistor utilizando este material en lugar de los tubos al vacío. Se podría decir mejor que con el descubrimiento del silicio – como material semi-conductor – se inventa el transistor. Saludos!

    • Antony García González

      Hola amigo. Gracias por comentar. Tu opinión es respetada en este espacio.
      Hablo de descubrimiento debido a que desde los años 20 del siglo 20 ya se había patentado la idea de lo que hoy conocemos como transistor. Julius Edgar Lilienfeld solicitó en 1925 una patente para un dispositivo capaz de controlar corrientes. La idea ya existía desde hace más de 20 años antes del primer transistor, aunque la tecnología de la época no habría permitido construir un prototipo funcional sino hasta 1947