Ejercicios: El transistor

Dibuja los símbolos del transistor NPN y del PNP, nombra sus tres terminales (emisor, base y colector) y explica qué indica la flecha del emisor en cada uno: el sentido convencional de su corriente de emisor, hacia fuera en el NPN y hacia dentro en el PNP.

El transistor NPN se fabrica con dos uniones p-n que comparten la región central. Indica qué tipo de material (N o P) forma cada terminal en el NPN y en el PNP, y explica por qué la base se fabrica muy fina y poco dopada: para que casi todos los portadores inyectados por el emisor lleguen al colector en vez de recombinarse en la base.

Indica si son verdaderas o falsas estas afirmaciones sobre las corrientes del transistor, justificando cada una: (a) siempre se cumple $I_E = I_B + I_C$; (b) en la región activa $I_C = \beta \cdot I_B$; (c) la corriente de base suele ser mayor que la de colector; (d) con la base en circuito abierto el transistor conduce igualmente.

Define la ganancia de corriente $\beta = \frac{I_C}{I_B}$ y explica qué significa que un transistor tenga $\beta = 150$. Indica valores típicos de $\beta$ en transistores de señal (entre $100$ y $300$) y razona por qué los fabricantes solo garantizan un valor mínimo y no uno exacto (dispersión de fabricación).

Nombra las tres regiones de funcionamiento del transistor y describe el estado de sus dos uniones en cada una: corte (las dos uniones en inversa), activa (base-emisor en directa y base-colector en inversa) y saturación (las dos en directa). Indica en cuál la corriente de colector es prácticamente nula y en cuál deja de crecer aunque aumente la de base.

Cuando el transistor trabaja como interruptor solo emplea dos de sus regiones. Explica cuáles son, a qué estado del interruptor (abierto o cerrado) corresponde cada una y qué tensión colector-emisor queda idealmente en cada estado ($V_{CE} \approx V_{CC}$ en corte y $V_{CE} \approx 0$ en saturación).

Para amplificar, el transistor trabaja en la región activa. Explica con tus palabras qué significa amplificar una señal: qué entra por la base, qué se obtiene en el colector y de dónde sale la energía de la señal amplificada (de la fuente de alimentación, que la señal de entrada modula).

El montaje Darlington conecta dos transistores de modo que el emisor del primero ataca la base del segundo. Explica qué ganancia total resulta ($\beta \approx \beta_1 \cdot \beta_2$), qué problema resuelve (excitar cargas grandes con corrientes de mando minúsculas) y qué inconveniente tiene (la tensión base-emisor se duplica, unos $1{,}4\ \text{V}$).

Un transistor con $\beta = 120$ trabaja en activa con una corriente de base de $40\ \mu\text{A}$. a) Calcula su corriente de colector. b) Calcula su corriente de emisor con $I_E = I_B + I_C$. c) Calcula qué porcentaje de la corriente de emisor llega al colector y comenta el resultado.

En un transistor en activa se miden $I_B = 0{,}5\ \text{mA}$ e $I_C = 85\ \text{mA}$. a) Calcula su ganancia $\beta$. b) Calcula la corriente de emisor. c) Si la tensión de base desaparece ($I_B = 0$), razona cuánto valen ahora $I_C$ e $I_E$ y en qué región queda el transistor.

La figura muestra las curvas características de salida de un transistor, con sus tres regiones rotuladas y el punto de trabajo $Q$ marcado. a) Indica en qué región se encuentra el punto $Q$. b) Lee en la gráfica, de forma aproximada, los valores de $I_C$ y de $V_{CE}$ del punto (señalados con el interrogante). c) Explica qué curva de la familia corresponde a la mayor corriente de base y por qué.

Un transistor NPN conmuta un LED desde una salida digital de $5\ \text{V}$. Datos: LED de $2\ \text{V}$ y $20\ \text{mA}$, alimentación de $9\ \text{V}$, $\beta$ mínima de $100$, $V_{BE} = 0{,}7\ \text{V}$ y $V_{CE(sat)} = 0{,}2\ \text{V}$. a) Calcula la resistencia del LED con $R_C = \frac{V_{CC} - V_{LED} - V_{CE(sat)}}{I_C}$. b) Calcula la corriente de base mínima para saturar y, aplicando un margen de seguridad de $\times 3$, la resistencia de base $R_B = \frac{V_{control} - V_{BE}}{I_B}$.

La figura muestra un transistor que acciona la bobina de un relé desde una señal de control. a) Calcula la corriente de colector necesaria. b) Calcula la corriente de base mínima con la $\beta$ mínima indicada y elígela con un margen de $\times 2$. c) Calcula la resistencia de base $R_B$, marcada con el interrogante. d) Explica la función del diodo en antiparalelo con la bobina.

Explica qué es el punto de trabajo $Q$ de un amplificador y por qué, para amplificar señal, se sitúa cerca del centro de la recta de carga: qué le ocurre a la señal de salida si el punto $Q$ queda demasiado cerca del corte o demasiado cerca de la saturación (recortes de un semiciclo).

Determina la región de trabajo de un transistor NPN en cada caso, justificándolo: (a) $V_{BE} = 0{,}7\ \text{V}$ y $V_{CE} = 0{,}2\ \text{V}$; (b) $V_{BE} = 0{,}7\ \text{V}$ y $V_{CE} = 6\ \text{V}$ con alimentación de $12\ \text{V}$; (c) $V_{BE} = 0\ \text{V}$; (d) $V_{BE} = 0{,}7\ \text{V}$ y $V_{CE} = 11{,}9\ \text{V}$ con alimentación de $12\ \text{V}$.

Dos transistores de $\beta_1 = 100$ y $\beta_2 = 80$ se montan en Darlington. a) Estima la ganancia total del conjunto. b) Calcula la corriente de colector si la base del primero recibe $10\ \mu\text{A}$. c) Cita dos aplicaciones donde interese esa enorme ganancia (sensores táctiles, etapas de salida de potencia) y razona el inconveniente de la doble $V_{BE}$.

Diseña por completo un interruptor con transistor para un LED de $2\ \text{V}$ y $25\ \text{mA}$ alimentado a $12\ \text{V}$ y controlado por una salida digital de $5\ \text{V}$. Datos del transistor: $\beta$ mínima $80$, $V_{BE} = 0{,}7\ \text{V}$ y $V_{CE(sat)} = 0{,}2\ \text{V}$. a) Calcula $R_C$ y elige un valor comercial. b) Calcula $R_B$ con margen de saturación $\times 2$ y elige un valor comercial. c) Calcula la potencia que disipa el transistor en conducción y explica por qué es tan pequeña.

Un relé de $12\ \text{V}$ y $60\ \text{mA}$ se controla con un transistor de $\beta$ mínima $60$ desde una salida de $5\ \text{V}$. a) Calcula $R_B$ con margen $\times 2$ ($V_{BE} = 0{,}7\ \text{V}$). b) Dibuja el diodo volante en antiparalelo con la bobina y explica qué pico de tensión aparecería sin él al cortar bruscamente la corriente de la bobina (autoinducción) y cómo puede destruir el transistor. c) Razona por qué ese diodo no conduce durante el funcionamiento normal.

Un transistor con $\beta = 200$ y $R_C = 1\ \text{k}\Omega$ se alimenta a $12\ \text{V}$. a) Dibuja la recta de carga calculando sus dos extremos: corte ($I_C = 0$, $V_{CE} = V_{CC}$) y saturación ideal ($V_{CE} = 0$, $I_C = \frac{V_{CC}}{R_C}$). b) Con $I_B = 30\ \mu\text{A}$, calcula $I_C$ suponiendo activa y el $V_{CE}$ resultante, e indica la región real. c) Repite con $I_B = 100\ \mu\text{A}$ y explica por qué el modelo de activa da un resultado imposible: el transistor ya está en saturación.

En un circuito interruptor: $R_B = 47\ \text{k}\Omega$, $R_C = 220\ \Omega$, $V_{CC} = 9\ \text{V}$, señal de control de $5\ \text{V}$, $\beta = 150$ y $V_{BE} = 0{,}7\ \text{V}$. a) Calcula $I_B$ y la $I_C$ que correspondería a la región activa. b) Calcula la $I_C$ máxima posible (saturación, con $V_{CE(sat)} = 0{,}2\ \text{V}$) y determina en qué región trabaja realmente el transistor. c) Si no satura, recalcula $R_B$ para garantizar la saturación con margen $\times 2$ y elige un valor comercial.

La figura muestra la señal de entrada de un amplificador en emisor común y la señal de salida obtenida. a) Explica por qué la salida aparece invertida respecto a la entrada. b) Identifica qué ocurre en los tramos planos marcados con el interrogante: qué regiones alcanza el transistor en los picos de la señal y cómo se denomina esa distorsión. c) Propón dos soluciones para evitarla (reducir la amplitud de entrada o recentrar el punto de trabajo $Q$).

El transistor PNP permite conmutar la carga por el lado positivo de la alimentación: emisor a $+V_{CC}$, carga del colector a masa y base excitada «hacia abajo». Dibuja el circuito completo, explica los sentidos de las corrientes comparados con el NPN y calcula $R_B$ para saturar una carga de $100\ \text{mA}$ con $\beta$ mínima $50$, señal de control que baja a $0\ \text{V}$, $V_{CC} = 12\ \text{V}$ y $V_{EB} = 0{,}7\ \text{V}$ (margen $\times 2$).

Un Darlington debe accionar un motor de $12\ \text{V}$ y $500\ \text{mA}$ desde una salida digital que solo puede entregar $0{,}5\ \text{mA}$. a) Estima la ganancia total necesaria y comprueba que un Darlington con $\beta_1 = 50$ y $\beta_2 = 40$ la cubre. b) Calcula $R_B$ con $V_{BE}$ total de $1{,}4\ \text{V}$, control a $5\ \text{V}$ y margen $\times 2$. c) Calcula la potencia que disipa el Darlington en conducción si su $V_{CE(sat)}$ es de $0{,}9\ \text{V}$, y compárala con la de un transistor sencillo: razona por qué el Darlington satura «más alto».

Un interruptor con transistor no funciona en la práctica. Elabora una tabla de diagnóstico con al menos cuatro averías posibles —resistencia de base demasiado grande y el transistor no satura; LED montado al revés; unión base-emisor abierta por sobrecorriente; la señal de control no llega a la base— indicando para cada una la medida con polímetro que la revela (por ejemplo, un $V_{CE}$ alto con la base excitada), su causa y su arreglo.