Transistor como interruptor

La idea: dos estados y nada en medio

Un transistor puede trabajar como amplificador, en su zona lineal, o como interruptor, saltando entre corte (apagado) y saturación o conducción plena (encendido). En conmutación interesa justo evitar la zona intermedia. Apagado, el transistor soporta toda la tensión pero no deja pasar corriente; encendido, deja pasar toda la corriente con una tensión muy pequeña entre sus terminales. En ambos casos el producto V · I, que es la potencia que se convierte en calor dentro del transistor, es pequeño.

Esa es la misma razón por la que el PWM es tan eficiente: un transistor que conmuta rápido entre los dos estados controla mucha potencia calentándose poco.

BJT NPN: cálculo de la resistencia de base

En un transistor bipolar la corriente de colector es aproximadamente β veces la corriente de base mientras está en zona activa. Para asegurar la saturación se inyecta bastante más corriente de base de la estrictamente necesaria, usando una “β forzada” de 10 a 20, muy por debajo de la ganancia real del transistor. Las fórmulas de diseño son:

• Corriente de base: I_B = I_C / β_forzada
• Resistencia de base: R_B = (V_control − V_BE) / I_B, con V_BE ≈ 0.7 V
• Disipación en saturación: P ≈ V_CE(sat) · I_C

La carga se conecta entre la alimentación y el colector, y el emisor va a tierra. Así el transistor actúa como interruptor del lado bajo (low side).

Ejemplo 1: carga de 12 V y 100 mA desde un pin de 5 V

1. Elegimos β_forzada = 20: I_B = 100 mA / 20 = 5 mA, una corriente que puede entregar un pin típico de microcontrolador (confírmalo en su hoja de datos).
2. R_B = (5 − 0.7) / 0.005 = 860 Ω; elegimos el valor comercial 820 Ω, que da I_B ≈ 4.3 / 820 ≈ 5.2 mA.
3. Si la hoja de datos indica una V_CE(sat) del orden de 0.2 V a esta corriente, el transistor disipa unos 0.2 × 0.1 = 20 mW: no necesita disipador.
4. Con un pin de 3.3 V: R_B = (3.3 − 0.7) / 0.005 = 520 Ω → 510 Ω, que da ≈ 5.1 mA.

Comprueba siempre que la ganancia mínima del transistor (hFE mínima en la hoja de datos) sea claramente mayor que la β forzada, y que la corriente máxima de colector supere con margen la de la carga.

MOSFET: control por tensión

El MOSFET de canal N no necesita corriente de puerta en régimen estable: basta aplicar una tensión entre puerta y fuente (V_GS) suficiente para que conduzca plenamente. Encendido se comporta como una resistencia pequeña, R_DS(on), y su disipación es P = I² · R_DS(on).

El punto crítico es la tensión de puerta. El parámetro V_GS(th) de la hoja de datos es solo el umbral donde empieza a conducir, no donde conduce bien. Para manejarlo directamente desde 3.3 V o 5 V se necesita un MOSFET de “nivel lógico”, cuya R_DS(on) esté especificada a esa tensión de puerta. Se suele añadir una resistencia de puerta de unas decenas a cientos de ohmios, para limitar el pico de corriente al cargar la capacidad de puerta, y una resistencia de unos 10 kΩ de puerta a tierra, para que el MOSFET quede apagado mientras el microcontrolador arranca.

Ejemplo 2: tira LED de 12 V y 3 A con un MOSFET

Supongamos un MOSFET de nivel lógico cuya hoja de datos garantiza R_DS(on) = 0.05 Ω con V_GS = 4.5 V. Con 3 A, la disipación es P = 3² × 0.05 = 0.45 W. Es manejable en un encapsulado de potencia, pero en uno pequeño de montaje superficial podría calentarse demasiado: revisa la resistencia térmica del encapsulado. Si atenúas la tira con PWM, la conducción media baja, pero aparecen pérdidas de conmutación que crecen con la frecuencia.

Con un BJT, la misma carga exigiría unos 150 mA de base con β forzada de 20, imposible para un pin de microcontrolador. Esa es la gran ventaja del MOSFET en cargas de varios amperios.

Ejemplo 3: relés, motores y el diodo de rueda libre

Una bobina almacena energía (½ · L · I²). Cuando el transistor se apaga bruscamente, la bobina intenta mantener la corriente y genera una tensión v = L · di/dt que puede alcanzar cientos de voltios y destruir el transistor. La solución es un diodo en antiparalelo con la bobina (cátodo hacia la alimentación positiva): al apagar, la corriente circula por el diodo y se extingue gradualmente, con una constante de tiempo que puedes estimar con la calculadora RL. Los motores DC con escobillas también necesitan este diodo, o un puente con diodos, cuando se controlan con PWM.

Errores comunes

• Conectar la base sin resistencia: la unión base-emisor se comporta como un diodo y la corriente queda limitada solo por el pin, que puede dañarse.
• Elegir un MOSFET por su V_GS(th): un umbral de 2 V no garantiza que conduzca bien con 3.3 V; mira la R_DS(on) especificada a tu tensión de puerta.
• Olvidar la tierra común: el emisor o la fuente del transistor y la tierra del microcontrolador deben estar unidos.
• Omitir el diodo en cargas inductivas.
• Poner el NPN o el canal N en el lado alto: conmutar el positivo de la carga exige un PNP, un canal P o un circuito excitador específico.

Aplicaciones reales

• Encender relés, zumbadores, ventiladores y solenoides desde Arduino, ESP32 u otros microcontroladores.
• Atenuar tiras LED y controlar la velocidad de motores DC con PWM.
• Etapas de salida de fuentes conmutadas y controladores de motores.
• Adaptación de niveles lógicos entre circuitos de distinta tensión.

Calcula la potencia de la carga con la calculadora de potencia, la resistencia de base con la ley de Ohm y prueba el circuito antes de montarlo en Engineering Lab.