El arte de escoger un buen transistor

En los proyectos de electrónica es común el uso de transistores. En Panama Hitek he publicado algunos proyectos que utilizan transistores. Se ha vuelto muy común que cuando las personas intentan recrear estos proyectos me preguntan que transistores pueden usar ante la imposibilidad de encontrar el modelo que designé durante mi fase de diseño. Resulta que escoger un transistor es mucho más que una ciencia, es un arte. Combinar eficiencia, disponibilidad, desempeño y economía en los diseños electrónicos es hacer ingeniería.

Existen muchos modelos de transistores en el mundo y no siempre tendremos el modelo óptimo para la aplicación que estemos implementando. Por ejemplo, en el post El Puente H: Invirtiendo el Sentido de Giro de un Motor con Arduino utilicé el transistor C2073. Es un transistor NPN con el cual armé el siguiente circuito:

Vamos a repasar los criterios que utilicé para escoger dicho transistor y para conocer que otros modelos de transistores podrían cumplir la misma función en dicho esquema. En su momento utilicé el C2073 porque es lo que tenía a mano. Sin embargo, bien pude escoger un modelo más acorde a este circuito.

A continuación algunos criterios a tomar en cuenta para escoger un buen transistor. Como referencia utilizaré el sitio web https://www.mouser.com debido a su inmensa biblioteca de componentes y a las facilidades que nos brinda esta página para filtrar piezas según las características que nosotros mismos escogemos.

Tipo de Transistor

Existen diferentes tipos de transistores: BJT, FET, JFET, MOSFET, IGBT, etc… Para esta aplicación en específico necesitamos un BJT. Entre los BJT tenemos los NPN y los PNP. Ya en Panama Hitek escribimos un post sobre el transistor BJT y su uso en la electrónica donde hicimos énfasis en las diferencias entre uno y otro.

El transistor que necesitamos es un NPN. Nos vamos a Mouser.com y veremos la siguiente ventana:

En el buscador escribimos transistor. Veremos lo siguiente:

Entre las opciones que tenemos debajo de Top Search Results for «transistor» hacemos clic en la opción Bipolar Transistor – BJT ya que lo que buscamos es, precisamente, un BJT.

Escogemos la opción NPN en el filtro de Transistor Polarity. Hacemos clic en Apply Filters y ahora solo veremos los transistores NPN.

Hemos reducido la lista de 6107 posibles tipos de transistores a 3177.

Aplicación en la que se utilizará el transistor

El transistor normalmente lo utilizamos como amplificador o como interruptor. Es lo más común. En este caso no necesitamos amplificar sino cortar el paso de la corriente así que necesitamos un interruptor.

Corriente y Voltaje 

Lo próximo que debemos verificar son los requerimientos de corriente y voltaje, específicamente la corriente de colector y el votaje colector-emisor.

El motor que vayamos a utilizar consume cierta cantidad de corriente y trabaja a un voltaje dado. A mi me gusta diseñar en base a 1 amperio ya que difícilmente un motor DC convencional superará dicha corriente. Sin embargo, debemos verificar antes de hacer cualquier compra. El voltaje de diseño para este sistema es de 12 voltios asi que nuestro voltaje colector-emisor debe ser, mínimo, 12 voltios. Escogemos los filtros de la siguiente manera:

Seleccionamos todos los valores superiores a 12 voltios y a 1 amperio. Eso reduce nuestra cantidad de transistores a 1284 de los 3177 originales.

Tipo de encapsulado

En lo personal este es para mi un aspecto sumamente importante; es el parámetro principal que sigo a la hora de escoger mi transistor. Existen múltiples tipos de encapsulados en el mercado:

Para mi la prioridad siempre es el encapsulado TO-92. ¿Por qué? Porque no requiere disipador de calor. Los disipadores siempre son sinónimos de problemas y de más espacio requerido para el armado del circuito. Con el TO-92 nos olvidamos de eso. Sin embargo, este tipo de encapsulado es incapaz de manejar potencias superiores a aproximadamente 2 Watts. De hecho un transistor TO-92 que disipe 2 Watts es un super transistor. Si lo llegan a ver por ahí, cómprenlo. Veamos un ejemplo.

Vamos a escoger todos los encapsulados TO-92 en el filtro Package/Case. Veremos que hay muchos disponibles pero solo escogeremos los TO-92.

Nos quedan 35 transistores. Ahora en las listas que nos aparecen vamos a ordenar los transistores de mayor a menor corriente de colector.

Lo primero que nos aparece es un ZTX851. Algo que me gusta de Mouser es que nos indica si el transistor se encuentra disponible en Multisim para hacer simulaciones.

Este transistor supuestamente maneja 5 amperios como máxima corriente de colector y 60 voltios como máximo voltaje colector-emisor. Pero, cuando nos vamos a la datasheet del transistor…

El Practical Power Disipation es de 1.58 Watt. El cuadro en rojo muestra la disipación de calor a 25ºC. Podemos utilizar este valor como referencia. Ese es uno de los filtros que le falta a Mouser, el de potencia, por lo que siempre que encontramos un transistor debemos verificar su hoja de datos.

La hoja de datos de un transistor nos da mucha información útil sobre el dispositivo que estamos interesados en comprar. Veamos lo que esta información representa:

Según la hoja de datos, los valores mostrados en el gráfico son los máximos permitidos por el modelo de transistor en cuestión. Es sumamente importante conocer estos valores ya que si se supera algunos de ellos (principalmente el voltaje Base-Emisor y la corriente de colector) nuestro transistor se podría fundir. Conocer la hoja de datos (datasheet) de un transistor es elemental.

Volviendo a nuestro diseño, debemos recordar que la potencia máxima de un transistor es igual al producto de el voltaje colector-emisor por la corriente de colector. Por Ley de Ohm, si despejamos cuanto voltaje podemos tener entre colector y emisor para que nuestro transistor entregue 5 amperios:

P = VI

V = P/I = 1.58 / 5 = 0.316 voltios

La potencia es un detalle que tendemos a obviar y en esta ocasión se hace sumamente importante. ¿Funcionará este modelo de transistor para lo que lo necesitamos? Supuestamente vamos a estar trabajando a 12 voltios y 1 amperio, lo cual son 12 watts. Esto significa que nuestro transistor se fundiría rápidamente si lo utilizáramos con nuestro puente H. Pero, debemos recordar que utilizaremos nuestro transistor como interruptor en la región de saturación. Veamos el siguiente gráfico:

En la región de saturación el voltaje colector-emisor es cero o próximo a cero, por lo que nuestro transistor no se quemaría trabajando a 1 amperio. Tendríamos:

P = VI = (0.1 volts)(1 ampere)=100 miliWatt

Nuestro transistor califica. Solo tendríamos que polarizarlo correctamente para que se ubique en la región de saturación (área verde) y funcione exclusivamente como un interruptor. Veamos un ejemplo de polarización y su efecto sobre el consumo de potencia y el voltaje colector-emisor.

Como vemos, la polarización del transistor es sumamente importante y de ello podría depender que nuestro transistor se queme o no. Calculemos el voltaje colector emisor máximo para el cual podríamos utilizar el transistor ZTX851. Para 1.2 Watts…

V = P/I = 1.2/1= 1.2 voltios

Tendríamos que asegurar que el voltaje en la base del transistor no supere 1.2 voltios. Esto es posible pero creo que es muy molesto. Yo prefiero un transistor en el cual no me tenga que preocupar mucho por la polarización. Pero esto no será posible con el encapsulado TO-92 debido a que las potencias que se manejan, como ya dijimos, son muy bajas. Lo que hacemos entonces es utilizar el siguiente encapsulado en el orden de prioridad, el TO-126. ¿Por qué? Porque posee una carcasa de plástico que normalmente no transfiere mucho calor. Este transistor se puede utilizar sin disipador de calor en aplicaciones pequeñas como nuestro puente H.

Vamos a Mouser y escogemos el encapsulado TO-126:

Ahora nos aparecen algunos transistores. Nuevamente ordenamos la lista para obtener el modelo con mayor corriente.

El modelo que deberíamos escoger es APT13005SU-G1. Nos entrega 6.4 amperios de corriente de colector y soporta una potencia de 20 Watts a 25ºC. Esto es más que suficiente para la aplicación que queremos pero no significa que este sea el mejor transistor para nosotros.

Precio

Como en los filtros de Mouser colocamos que queremos transistores de más de 1 amperio de corriente de colector, todos los que nos aparecen en la lista una vez que seleccionamos el encapsulado TO-126. Nos quedan 48 transistores. Ordenamos la lista por orden de precio, desde el más barato hasta el más caro.

El transistor más barato es de 47 centavos. Incluso el primero de la lista se reduce a 29 centavos si se compran 10 o más. Me parece un precio accesible y adecuado para un transistor capaz de manejar 3 amperios y 10 Watts.

Disponibilidad

A veces buscamos transistores en Mouser y estos no se encuentran disponibles en sus almacenes o no se distribuyen a granel sino que son vendidos al por mayor.

A mi me gusta comprar en Mouser desde acá en Panamá. Yo escojo las piezas que necesito, las pago a través de Paypal, les pido que me las envíen a Miami y desde allá otra empresa me las trae a Ciudad de Panamá. Pero a veces por cuestiones de tiempo o por no poseer casillas de correo en Miami no podemos comprar en Mouser y tenemos que adquirir transistores en las tiendas de electrónica locales. Lo que podemos hacer es copiar la lista de modelos que nos aparece en Mouser e ir a la tienda de electrónica a verificar si poseen en su inventario algunos de los modelos que según la información en Mouser son adecuados para nuestro proyecto.

Conclusiones

• Se pudo haber utilizado el transistor ZTX851 o cualquier transistor de los que nos apareció en la lista del encapsulado TO-92, aunque habría que tener consideraciones especiales a la hora de polarizarlo. Los transistores TO-92 son más baratos, más pequeños y mejores a la hora de hacer proyectos. Siempre que se pueda utilizar los transistores con encapsulado TO-92, hágalo.
• Los transistores TO-126 son los segundos en mi orden de prioridad. Yo escojo transistores según el siguiente orden de encapsulado: TO-92, TO-126, TO-220, TO-18 (ya casi no se utiliza), TOP-3, TO-3 y TO-66 (casi no se utilizan). Este orden está basado según las capacidades de manejo de potencia. Solo se debe usar un TO-220 cuando la potencia que se necesita manejar supera la que el TO-126 puede soportar.
• Existen muchos otros tipos de encapsulados. Los que he mencionado son solamente los más conocidos. Está en usted investigar un poco más sobre otros tipos de encapsulados, sus ventajae, desventajas y tomar decisiones en base a eficiencia, costo y confort.
• Si se desea escoger un buen transistor para construir un amplificador se debe seguir un procedimiento similar a el utilizado en este post, tomando en cuenta otros parámetros como el ancho de banda y voltajes de saturación.
• Tratar de evitar dentro de la medida de lo posible el uso de tecnología SMT/SMD.
• Existen otros servicios similares a Mouser, como Jameco o Digi-Key, pero me quedo con Mouser. Es lo que siempre he utilizado y se los recomiendo a todas aquellas personas que necesitan piezas que más ninguna otra empresa distribuye.