Transistores Explicados

Un transistor es un dispositivo semiconductor que conmuta o amplifica señales eléctricas usando tres terminales. Una pequeña señal de entrada en un terminal controla una corriente mucho mayor entre los otros dos. Los transistores son la base de toda la electrónica moderna: cada chip de computadora contiene miles de millones de ellos, y en electrónica de hobby se usan para permitir que un microcontrolador controle motores, relés, tiras LED, y otras cargas que consumen más potencia de la que un pin puede suministrar directamente.

Los dos tipos principales de transistores

Para principiantes, hay dos familias de transistores que encontrarás:

Transistores BJT

Cómo funciona un BJT

Un BJT tiene tres capas de material semiconductor formando dos uniones. La capa delgada del medio es la base. Cuando una pequeña corriente fluye hacia la base, permite que una corriente mucho mayor fluya del colector al emisor. La relación entre la corriente del colector y la corriente de base se llama ganancia de corriente (β o hFE), típicamente 100–300 para transistores comunes.

I_colector = β × I_base

Un 2N2222 con β = 200 necesita solo 0.1 mA de corriente de base para conmutar 20 mA de corriente de colector (suficiente para un LED). Así es como un pin de Arduino (que puede proporcionar ~20 mA) puede controlar dispositivos que necesitan cientos de miliamperios.

NPN vs PNP

NPN es el tipo más común. La corriente fluye del colector al emisor cuando el voltaje de base está unos 0.7V por encima del emisor. La carga se conecta entre la alimentación positiva y el colector; el emisor se conecta a tierra.

PNP funciona al revés: la corriente fluye del emisor al colector cuando la base se lleva unos 0.7V por debajo del emisor. PNP se usa cuando necesitas conmutar el lado alto de un circuito. Para principiantes, NPN es más simple y recomendado.

BJT como interruptor - circuito de ejemplo

Para manejar un motor desde un Arduino usando un transistor NPN 2N2222:

1. Conecta el motor entre +12V y el colector del 2N2222.
2. Conecta el emisor a tierra.
3. Conecta el pin de salida del Arduino a la base a través de una resistencia de 1 kΩ (la resistencia de base).
4. Coloca un diodo de retorno (1N4007) a través del motor, cátodo a +12V, para proteger contra picos de voltaje.

Calculando la resistencia de base:

Si el motor consume 200 mA y la β del transistor es 200, necesitas al menos 1 mA de corriente de base (200 mA / 200). El Arduino suministra 5V; la unión base-emisor cae 0.7V. Usando nuestra calculadora de la Ley de Ohm:

R_base = (V_arduino - V_BE) / I_base = (5 - 0.7) / 0.001 = 4,300Ω

Una resistencia de 1 kΩ a 2.2 kΩ proporciona suficiente corriente de base con margen. Ir más bajo desperdicia corriente; ir demasiado alto puede no saturar completamente el transistor.

Transistores MOSFET

Cómo funciona un MOSFET

Un MOSFET está controlado por voltaje en la compuerta, no por corriente. Cuando el voltaje compuerta-fuente (V_GS) excede el voltaje umbral(típicamente 1–4V), el MOSFET se enciende y permite que la corriente fluya del drenaje a la fuente. Debido a que la compuerta está aislada, consume esencialmente cero corriente continua: solo un pequeño pulso para cargar la capacitancia de la compuerta.

Canal N vs Canal P

Los MOSFETs de canal N son el equivalente de NPN: conmutan el lado bajo (entre la carga y tierra). Se encienden cuando la compuerta se lleva a alto. Más comunes en electrónica de hobby.

Los MOSFETs de canal P conmutan el lado alto (entre la fuente de alimentación y la carga). Se encienden cuando la compuerta se lleva a bajo relativo a la fuente. Se usan para conmutación de potencia y protección de batería.

MOSFETs de nivel lógico

Los MOSFETs estándar pueden necesitar 10V en la compuerta para encenderse completamente, lo cual es demasiado alto para un microcontrolador de 3.3V o 5V. Los MOSFETs de nivel lógico (como el IRLZ44N o IRL540N) están diseñados para encenderse completamente a 3.3–5V de voltaje de compuerta. Siempre revisa la hoja de datos para V_GS(th) — el voltaje umbral — y elige una parte de nivel lógico cuando manejes desde Arduino.

MOSFET como interruptor - ejemplo

Para manejar una tira LED desde un Arduino usando un IRLZ44N:

1. Conecta el cable positivo de la tira LED a +12V.
2. Conecta el cable negativo de la tira LED al drenaje.
3. Conecta la fuente a tierra.
4. Conecta el pin de salida del Arduino a la compuerta a través de una resistencia de 100–470Ω.
5. Añade una resistencia pull-down de 10 kΩ entre compuerta y fuente para asegurar que el MOSFET esté apagado por defecto.

PWM en el pin de Arduino te da control de atenuación: el MOSFET conmuta lo suficientemente rápido para seguir la señal PWM, variando la potencia promedio a la tira LED.

BJT vs MOSFET: ¿cuál deberías usar?

Especificaciones importantes del transistor

Errores comunes con transistores

• Olvidar la resistencia de base en un BJT. Sin una resistencia entre el pin de Arduino y la base, la corriente excesiva de base puede dañar el pin de Arduino o el transistor. Siempre usa una resistencia de base de 1 kΩ–10 kΩ.
• Usar un MOSFET que no es de nivel lógico con Arduino. Un MOSFET estándar (como IRF540) necesita ~10V en la compuerta para encenderse completamente. A 5V, solo está parcialmente encendido y se calienta. Usa partes de nivel lógico (IRLZ44N, IRL540N) para lógica de 5V o 3.3V.
• Sin diodo de retorno en cargas inductivas. Motores, relés y solenoides crean picos de voltaje cuando se apagan. Sin un diodo a través de la carga, estos picos pueden destruir el transistor. Siempre añade un diodo 1N4007 o similar.
• Exceder los límites de corriente o voltaje. Revisa la hoja de datos para I_C(max) y V_CE(max). Exceder cualquiera destruye el transistor, usualmente permanentemente.
• Compuerta flotante de MOSFET. Una compuerta de MOSFET desconectada recoge estática y puede encenderse aleatoriamente. Siempre usa una resistencia pull-down (10 kΩ) entre compuerta y fuente.

Resumen

Los transistores son interruptores semiconductores controlados por una señal pequeña. Los BJTs están controlados por corriente (la corriente de base controla la corriente del colector); los MOSFETs están controlados por voltaje (el voltaje de compuerta conmuta la corriente drenaje-fuente). NPN/canal-N son los tipos más comunes para conmutación del lado bajo. Usa BJTs para conmutación simple de baja corriente; usa MOSFETs de nivel lógico para cargas de alta corriente como motores y tiras LED. Siempre incluye una resistencia de base/compuerta, usa diodos de retorno en cargas inductivas, y revisa la hoja de datos para límites de voltaje, corriente y potencia.