El documento presenta un análisis detallado del funcionamiento de transistores, en particular del transistor tipo NPN, incluyendo su estructura, zonas de operación (corte, saturación y activa directa) y las fórmulas relevantes para entender su comportamiento en circuitos. Se discuten los criterios para determinar la zona de operación de un transistor y se proporciona un ejemplo de análisis de circuito que ilustra cómo calcular corrientes y voltajes relevantes. Además, se incluyen ejercicios prácticos para aplicar los conceptos aprendidos sobre el transistor NPN.

1. ELECTRÓNICA
XABIER PÉREZ TEMA 05
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5 TRANSISTORES.
5.1 INTRODUCCIÓN.
El transistor es un dispositivo semiconductor de tres capas,
compuesto ya sea por la unión de dos capas de material tipo n y una
de tipo p o dos capas de material tipo p y una de tipo n. En el
primero de los casos, se habla de un transistor npn, en tanto que el
segundo recibe el nombre de transistor pnp. La abreviatura BJT
(Bipolar Junction Transistor = transistor de unión bipolar) se aplica a
menudo a este dispositivo de tres terminales. El término bipolar
refleja el hecho de que los electrones y los huecos participan en el
proceso de inyección en el material polarizado opuestamente.
Un transistor consta de tres terminales: emisor, base y colector.
En esencia, se puede interpretar, por su estructura física, como dos
diodos en serie conectados entre sí por uno de sus terminales (el
ánodo o el cátodo). La característica principal del transistor es que
su resistencia interna variará según la señal de entrada, así que se
puede decir que el transistor regulará el paso de corriente a través
suyo y, per tanto, que podrá amplificar proporcionalmente a la salida,
la señal que se aplica en su entrada
Como se ya se ha dicho, existen de dos tipos, NPN o PNP. En este
documento se tratarán los NPN (el análisis para los PNP es análogo y
se invita al estudiante al estudio autodidacta del PNP a partir de lo
explicado del NPN).
5.2 MODELO DE TRANSISTOR IDEAL (en continua).
El transistor ideal se puede entender como un modelo de dos diodos
que darán paso de corriente o no según la tensión que caiga sobre
ellos. La combinación de los dos estados posibles de cada estado,
proporciona cuatro estados posibles de funcionamiento del transistor:
activa directa, activa inversa, saturación y corte.

2. ELECTRÓNICA
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Según las relaciones expuestas en las gráficas y tablas anteriores, se
pueden extraer las siguientes conclusiones:
1 La corriente en el emisor recoge la de la base y la del colector:
IE = IB + IC
VBE VBC D1 D2 ZONA DE OPERACIÓN
< 0.7 V < 0.7 V OFF OFF CORTE
≥ 0.7 V < 0.7 V ON OFF ACTIVA DIRECTA (ZAD)
< 0.7 V ≥ 0.7 V OFF ON ACTIVA INVERSA (ZAI)
≥ 0.7 V ≥ 0.7 V ON ON SATURACIÓN (SAT)
E
CB IC
IB
IE
+ VBC -
+
VCE
-
+
VBE
-
D1
D2
ßIB
Símbolo BJT
tipo NPN
Modelo de análisis
para BJT tipo NPN
Zonas de operación según uniones BE y BC
Característica IC - VCE según las zonas de operación

3. ELECTRÓNICA
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2 La corriente de colector, si el transistor opera en Zona Activa
Directa, amplificará la corriente de base un factor β:
IC = β IB
[β es un coeficiente adimensional denominado ganancia directa de corriente, o bien ganancia
estática de corriente. Su valor oscila entre 100 y 150, dependiendo del modelo de transistor]
3 Para que, según el modelo del BJT-NPN expuesto, el diodo D2
esté en directa, es necesario que la tensión de la base sea
superior o igual a la del colector:
VBC = VBE - VCE ≥ 0
De las cuatro zonas de operación del BJT, se analizará el
funcionamiento en ZAD, SAT y CORTE, dado que los transistores no
se suelen fabricar para trabajar en ZAI.
5.3 ZONA DE CORTE.
En esta zona, el transistor es utilizado para aplicaciones de
conmutación y se puede considerar como un circuito abierto entre
colector y emisor (estado abierto de un interruptor). Se puede
considerar que las corrientes que le atraviesan son prácticamente
nulas, especialmente la de colector.
El transistor opera en Corte
cuando ambas uniones BE y BC
trabajan en inversa (VBE < 0.7 V
y VBc < 0.7 V).
En esta situación los dos diodos D1 y D2 impiden el paso y se
comportan como circuitos abiertos.
VBE VBC D1 D2 ZONA
< 0.7 V < 0.7 V OFF OFF CORTE
≥ 0.7 V < 0.7 V ON OFF ZAD
< 0.7 V ≥ 0.7 V OFF ON ZAI
≥ 0.7 V ≥ 0.7 V ON ON SAT
ZONA DE CORTE
Modelo de análisis
en CORTE
E
CB IC
IB
IE
+ VBC -
+
VCE
-
+
VBE
-
D1
D2
ßIB
E
CB 00
0
+ VBC -
+
VCE
-
+
VBE
-

4. ELECTRÓNICA
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Diremos que el transistor se
encuentra en la zona de corte,
cuando IB = 0, lo que provocará
que la corriente IC sea tan pequeña
que la podamos despreciar. Se dice
entonces, que el transistor se
comporta como un interruptor
abierto.
5.4 ZONA ACTIVA DIRECTA (ZAD) O ZONA LINEAL.
El transistor sólo amplifica en esta zona, y se comporta como una
fuente de corriente constante controlada por la intensidad de base
(ganancia de corriente).
La operación en ZAD se produce
cuando la unión BE se polariza en
directa (VBE ≥ 0.7 V) y la BC en
inversa (VBC < 0.7 V).
En esa situación, al estar en inversa el diodo D2, se establece circuito
abierto entre base y colector. El diodo D1 permitirá el paso de la
corriente de base, a costa del consumo estándar de 0.7 V (VT = 0.7V)
Condiciones Resultados
VBE < 0.7 V
VBC < 0.7 V
IB = 0
IC = 0
IE = IB + IC = 0
VCE = VBE – VBC = VCC
VBE VBC D1 D2 ZONA
< 0.7 V < 0.7 V OFF OFF CORTE
≥ 0.7 V < 0.7 V ON OFF ZAD
< 0.7 V ≥ 0.7 V OFF ON ZAI
≥ 0.7 V ≥ 0.7 V ON ON SAT
E
CB IC
IB
IE
+ VBC -
+
VCE
-
+
VBE
-
D1
D2
ßIB
E
CB IC
IB
IE
+ VBC -
+
VCE
-
+
VBE
-
VT
ßIB
0.7V
Modelo de análisis
en ZAD

5. ELECTRÓNICA
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5.5 ZONA DE SATURACIÓN (SAT)
En esta zona, el transistor es utilizado para aplicaciones de
conmutación y se puede considerar como un cortocircuito entre
colector y emisor (estado cerrado de un interruptor).
El transistor opera en Saturación
cuando ambas uniones BE y BC
trabajan en directa (VBE ≥ 0.7 V y
VBC ≥ 0.7 V).
En esta situación los dos diodos D1 y D2 dan paso a costa de
consumir cada uno 0.7 V (VT = 0.7 V).
ZONA ACTIVA DIRECTA (ZAD)
Condiciones Resultados
VBE ≥ 0.7 V
VBC < 0.7 V
IC = β IB
IE = IB + IC = IB + β IB = IB (1 + β)
VBE = VT = 0.7 V
VCE = VBE – VBC = 0.7 – VBC ≥ 0
VBE VBC D1 D2 ZONA
< 0.7 V < 0.7 V OFF OFF CORTE
≥ 0.7 V < 0.7 V ON OFF ZAD
< 0.7 V ≥ 0.7 V OFF ON ZAI
≥ 0.7 V ≥ 0.7 V ON ON SAT
ZONA DE SATURACIÓN (SAT)
Condiciones Resultados
VBE ≥ 0.7 V
VBC ≥ 0.7 V
IC < β IB
IE = IB + IC
VBE = VT = 0.7 V
VBC= VT = 0.7 V
VCE = VBE – VBC =0
E
CB IC
IB
IE
+ VBC -
+
VCE
-
+
VBE
-
D1
D2
ßIB
E
CB IC
IB
IE
+ VBC -
+
VCE
-
+
VBE
-
VT
0.7V
VT 0.7V
Modelo de análisis
en SAT

6. ELECTRÓNICA
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5.6 CRITERIOS DE ANÁLISIS
A la hora de analizar un circuito con transistores el principal problema
radica en averiguar en qué zona de operación se halla cada uno de
ellos.
Es conveniente partir de una hipótesis y a partir de aquí hacer el
análisis, utilizando el modelo de transistor acorde a cada zona de
operación, para comprobar si se verifica o no el supuesto inicial. En
caso de no verificación, se descartará el caso inicial y se procederá a
plantear una nueva hipótesis.
Se pueden emplear los siguientes criterios:
CRITERIO 1. Si la tensión entre base y emisor VBE es igual o
mayor que la tensión de corte VT = 0,7 V, se supondrá que el
transistor CONDUCE y puede estar en ZAD o en SAT; si no, se
puede asegurar que está en CORTE.
CRITERIO 2. Si la tensión entre colector y emisor VCE es nula, se
supondrá que el transistor se encuentra SATURADO (en realidad,
un transistor saturado tiene una VCE alrededor de 0.2V y no nula).
CRITERIO 3. Si se supone que el transistor está SATURADO (VCE
= 0), se ha de encontrar la intensidad IC del colector en este
estado (IC_SAT). Si IC_SAT fuera menor que el producto βIB, se puede
afirmar que el transistor está en SATURACIÓN y que IC = IC_SAT;
en caso contrario, es decir βIB < IC_SAT, el transistor se encontraría
en ZAD, y entonces IC = βIB
5.7 EJEMPLO DE ANÁLISIS.
Hallar IB, IC, IE, VCE, VBE y VBC en el circuito del transistor
representado en la figura.
Para la resolución del circuito, se seguirán los siguientes pasos:
1. Planteamiento, por Kirchhoff, de la ecuación de la malla de Base.
2. Plantear hipótesis de CORTE. Comprobar.
3. Planteamiento, por Kirchhoff, de la ecuación de la malla de
Colector.
4. Plantear hipótesis de SATURACIÓN. Comprobar.
5. Resolver

7. ELECTRÓNICA
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1. Planteamiento, por Kirchhoff, de la ecuación de la malla de Base.
Extrayendo el subcircuito de la
malla de base, y substituyendo la
unión BE por la fuente VBE, se
obtiene:
VB = RB IB + VBE
5V = RB IB + VBE
2. Plantear hipótesis de CORTE. Comprobar.
Si estuviera en corte, la corriente de base IB (y las de colector IC y
emisor IE) debería ser nula. Aplicando en la ecuación de malla de la
base:
IB = 0 VB = RB IB + VBE = 5V VBE = 5V > 0.7 V
Una de las condiciones para estar en corte es que VBE sea inferior a
0.7 V. En este caso, no se cumple SE DESCARTA QUE ESTÉ EN
CORTE. Se ha de mirar si está en ZAD o en SAT.
Al no estar en corte, IB ≠ 0. En ese caso, tanto si está en SAT como
en ZAD, VBE = 0.7 V. La ecuación de malla de base queda así:
VT = 0.7 V
β = 100

8. ELECTRÓNICA
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VBE = 0.7 V VB = RB IB + VBE 5V = 100kΩ · IB + 0.7V
Despejando la corriente de base:
A43
k100
V7.0V5
IB µ=
Ω
−
=
3. Planteamiento, por Kirchhoff, de la ecuación de la malla de
Colector.
Extrayendo el subcircuito de la
malla de colector, y substituyendo la
unión CE por la fuente VCE, se
obtiene:
VC = RC IC + VCE
5 V = RC IC + VCE
4. Plantear hipótesis de SATURACIÓN. Comprobar
Se supondrá que está saturado. Si trabaja en esta zona se puede
afirmar que VCE = 0. A partir de la ecuación de malla de colector es
inmediato encontrar la corriente de colector de saturación, IC_SAT
VCE = 0 V 5 V = RC IC + 0 mA5
k1
V5
I SAT_C =
Ω
=
IC_SAT representa la máxima corriente posible que puede circular en
este problema. Si resultara que el producto β·IB fuera mayor que
IC_SAT, se podría afirmar que la corriente de base es suficiente para
SATURAR el transistor. De ser así, el transistor estaría en
SATURACIÓN y la corriente de colector IC sería el valor calculado para
IC_SAT.
En caso contrario, se deducirá que el transistor opera en ZONA
ACTIVA DIRECTA.
Se comprueba la relación entre β·IB y IC_SAT para concretar la zona de
operación:
ZADII
mA3.4A43100I
mA5I
SAT_CB
B
SAT_C
⇒<β⇒



=µ×=β
=

9. ELECTRÓNICA
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La base no puede llegar a saturar al transistor por lo que se descarta
que trabaje en esta zona.
Finalmente, se determina que el transistor opera en ZONA ACTIVA
DIRECTA.
5. Resolver
Se ha concretado que el transistor trabaja en ZONA ACTIVA
DIRECTA. Se substituye en el circuito inicial por el modelo
equivalente:
Al substituir queda
como en la figura,
donde la fuente
dependiente de
corriente tiene
IB como entrada, para
que genere IC = βIB.
Se ha ajustado el valor
de la ganancia a 100.
Como ya se ha calculado antes, la corriente de base se obtiene a
partir de la ecuación de la malla de base. Conocida IB, es inmediato
encontrar las otras dos corrientes.
A343.4)1(IIII
mA3.4A43100II
A43I
BCBC
BC
B
µ=β+×=+=
=µ×=β=
µ=
E
CB IC
IB
IE
+ VBC -
+
VCE
-
+
VBE
-
D1
D2
ßIB
E
CB IC
IB
IE
+ VBC -
+
VCE
-
+
VBE
-
VT
ßIB
0.7V

10. ELECTRÓNICA
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A partir de la ecuación de la malla de colector se extrae la tensión
que cae entre colector y emisor:
VC = RC IC + VCE VCE = VC - RC IC = 5V – 1kΩ·4.3mA
VCE =0.7 V
Finalmente, se calcula el voltaje entre base y colector:
VBC = VBE - VCE = 0.7 – 0.7 = 0V
Se resumen todos los resultados en la siguiente tabla:
ZONA
ACTIVA
DIRECTA
IB IC IE VBE VCE VBC
43 µA 4,3 mA 4,343 mA 0,7 V 0.7 V 0 V
EJERCICIO 1
A partir del circuito del ejemplo, y dando los valores para Vc y Vb que
se indican la tabla, determine la zona de operación, las corrientes y
los voltajes del transistor. Compruebe las soluciones obtenidas con la
ayuda de PSPICE.
ZONA IB IC IE VBE VCE VBC
VB = 5 V
VC = 10 V
VB = 0 V
VC = 10 V
VB = 10 V
VC = 10 V

11. ELECTRÓNICA
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EJERCICIO 2
1 Un transistor está polarizado en ZAD como se indica en la figura.
Tiene una corriente de base de 8 µA y una corriente en el colector
de 1.2 mA. ¿Cuál es valor de la corriente en el emisor?. ¿Cuál es
la ganancia (β) del transistor?.
2 Un transistor se conecta como se muestra en la figura del
problema anterior. La corriente del emisor es de 2.42 mA y la del
colector es de 2.4 mA. ¿Cuánto vale la corriente en la base?. ¿Y el
valor de β?
3 Un transistor está conectado como se indica en la figura del
problema 1. Tiene una corriente de base de 16 µA y una ganancia
de 80. ¿Cuánto vale la corriente en el colector?. ¿Y en el emisor?
EJERCICIO 3
1 En el circuito de la figura β =80, IB = 10 µA, R1 = 50 KΩ, R2 = 6
KΩ y V2=10V.
¿Qué valor tomarán los medidores IE, IC y VCE, si se admite la
hipótesis de que el transistor está polarizado en la ZAD?.
A la vista de los resultados del apartado anterior, comprobar la
validez de la hipótesis.

12. ELECTRÓNICA
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2 Si la corriente de base es 30 µA y la corriente de emisor es 4mA,
¿Cuál es el valor de β?
EJERCICIO 4
1 Encontrar la tensión en el colector
cuando el transistor de la figura se
encuentra en saturación.
2 Encontrar la tensión del colector del
transistor de la figura cuando se
encuentra en corte.
3 Si la β del transistor de la figura es 50, ¿Qué tensión es necesaria
a la entrada para saturar el transistor?
4 Si la tensión de mínima en la entrada es de 3.7 V, ¿Cuál es el
valor límite de la resistencia R1 antes de entrar en saturación
para un valor de β de 50?
5 Cuando la entrada es de 5V, ¿Qué β se requiere para saturar el
transistor?
6 En el circuito de la figura suponer que la corriente del colector es
de 4 mA cuando la corriente de entrada es de 0.5 µA. En estas
condiciones, ¿Cuál será la corriente del emisor?
7 En el circuito de la figura suponer que la corriente del colector es
de 4 mA cuando la corriente de entrada es de 0.5µA. Si la
corriente de entrada se aumenta a 1.0 µA, ¿Qué le sucederá a la
corriente del colector?