Caso práctico: El transistor como interruptor de luz

Prototipo de El transistor como interruptor de luz (Maker Style)

Nivel: Básico. Objetivo: Comprender el corte y la saturación del BJT para controlar una carga (LED) con una pequeña señal de control.

Objetivo y caso de uso

En este caso práctico, construirás un circuito utilizando un Transistor de Unión Bipolar (BJT) NPN para encender y apagar una carga de alta corriente (un LED) mediante una señal de control de baja corriente activada por un pulsador.

Por qué es útil:
* Interfaz con microcontroladores: Permite que pines de baja potencia (como los de un Arduino o ESP32) manejen cargas de mayor corriente.
* Actuación de sensores: Permite que señales débiles de sensores (como LDRs o termistores) activen luces o alarmas.
* Protección de componentes: Separa el circuito de control sensible del circuito de potencia.
* Conmutación lógica: Forma el bloque de construcción fundamental de las puertas lógicas digitales.

Resultado esperado:
* Estado de reposo (Botón soltado): El transistor está en Corte. IC ≈ 0 mA, el LED está APAGADO, y VCE ≈ Vsupply.
* Estado activo (Botón presionado): El transistor entra en Saturación. El LED está ENCENDIDO.
* Voltaje de saturación: VCE cae aproximadamente a $0.1$ V – $0.2$ V.
* Umbral de Base: VBE se estabiliza alrededor de $0.7$ V cuando el transistor está conduciendo.

Público objetivo: Estudiantes de electrónica de nivel básico.

Materiales

  • V1: Batería de 9 V CC o fuente de alimentación, función: Alimentación principal del circuito.
  • S1: Pulsador táctil (Normalmente Abierto), función: Disparador de entrada del usuario.
  • R1: Resistencia de 10 kΩ, función: Limitación de corriente de Base (para asegurar la saturación sin dañar la Base).
  • R2: Resistencia de 100 kΩ, función: Resistencia pull-down (mantiene la Base a 0 V cuando S1 está abierto).
  • R3: Resistencia de 330 Ω, función: Protección limitadora de corriente del LED.
  • Q1: Transistor NPN 2N2222 (o BC547), función: Interruptor electrónico.
  • D1: LED rojo, función: Indicador visual de carga.

Guía de conexionado

Esta guía utiliza nombres de nodos específicos para ayudarte a visualizar las conexiones.
* Nodos de alimentación: Conecta el positivo de V1 al nodo VCC y el negativo al nodo 0 (GND).
* Etapa de entrada:
* Conecta un lado de S1 a VCC.
* Conecta el otro lado de S1 al nodo INPUT_SIG.
* Conecta R1 (10 kΩ) entre INPUT_SIG y el nodo BASE.
* Conecta R2 (100 kΩ) entre el nodo BASE y el nodo 0 (GND).
* Conexiones del transistor:
* Conecta la Base de Q1 al nodo BASE.
* Conecta el Emisor de Q1 directamente al nodo 0 (GND).
* Conecta el Colector de Q1 al nodo COLL.
* Carga de salida:
* Conecta R3 (330 Ω) entre VCC y el nodo LED_ANODE.
* Conecta el Ánodo (patilla larga) de D1 al nodo LED_ANODE.
* Conecta el Cátodo (patilla corta, lado plano) de D1 al nodo COLL.

Diagrama de bloques conceptual

Conceptual block diagram — Transistor Switch (NPN)
Lectura rápida: entradas → bloque principal → salida (actuador o medida). Resume el esquemático ASCII de la siguiente sección.

Esquemático

Title: Practical case: The transistor as a light switch

1. CONTROL PATH (Input Stage)
   Flow: VCC triggers the Base when S1 is pressed. R2 ensures Base is 0 V when S1 is open.

   [ VCC ] --> [ S1: Button ] --(INPUT_SIG)--> [ R1: 10k ] --(BASE)--+--> [ Q1: Base ]
                                                                     |
                                                                     +--> [ R2: 100k ] --> [ GND ]

2. LOAD PATH (Output Stage)
   Flow: Current flows from VCC through the LED into the Transistor Collector.

   [ VCC ] --> [ R3: 330R ] --(LED_ANODE)--> [ D1: Red LED ] --(COLL)--> [ Q1: Collector ]

3. COMMON RETURN (Grounding)
   Flow: The transistor completes the circuit to Ground.

   [ Q1: Emitter ] --> [ GND ]
Esquema Eléctrico

Mediciones y pruebas

Realiza estos pasos con un multímetro para verificar las regiones de operación del transistor.

  1. Prueba de región de corte (Interruptor abierto):

    • Asegúrate de que S1 no esté presionado.
    • Mide el voltaje entre Base y Emisor (VBE). El resultado debe ser 0 V.
    • Mide el voltaje entre Colector y Emisor (VCE). El resultado debe ser cercano a 9 V (voltaje de la fuente), indicando que el interruptor está abierto.
    • Observa D1: Debe estar APAGADO.

  2. Prueba de región de saturación (Interruptor cerrado):

    • Presiona y mantén S1.
    • Mide el voltaje entre Base y Emisor (VBE). El resultado debe ser aproximadamente de 0.65 V a 0.75 V.
    • Mide el voltaje entre Colector y Emisor (VCE). El resultado debe caer a < 0.2 V. Esta caída de voltaje demuestra que el transistor está actuando como un interruptor cerrado (Saturación).
    • Observa D1: Debe ENCENDERSE con brillo.

Netlist SPICE y simulación

Netlist SPICE de referencia (ngspice) — extractoNetlist SPICE completo (ngspice)

* Practical case: The transistor as a light switch
* Improved Netlist with robust switch modelling

.width out=256

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC battery (Main circuit power)
V1 VCC 0 DC 9

* --- User Input Trigger (S1) ---
* S1: Tactile Push-button (Normally Open) connecting VCC to INPUT_SIG.
* Modeled using a Voltage-Controlled Switch (S1) driven by a control pulse (V_ACT).
* V_ACT simulates the user pressing the button (Logic 0 -> 1 -> 0).
V_ACT ACTUATE 0 PULSE(0 5 1ms 100u 100u 5ms 20ms)
S1 VCC INPUT_SIG ACTUATE 0 SW_TACTILE

* --- Input Stage ---
* R1: 10 kOhm, Base current limiting
R1 INPUT_SIG BASE 10k

* ... (truncated in public view) ...

Copia este contenido en un archivo .cir y ejecútalo con ngspice.

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* Practical case: The transistor as a light switch
* Improved Netlist with robust switch modelling

.width out=256

* --- Power Supply ---
* V1: 9 V DC battery (Main circuit power)
V1 VCC 0 DC 9

* --- User Input Trigger (S1) ---
* S1: Tactile Push-button (Normally Open) connecting VCC to INPUT_SIG.
* Modeled using a Voltage-Controlled Switch (S1) driven by a control pulse (V_ACT).
* V_ACT simulates the user pressing the button (Logic 0 -> 1 -> 0).
V_ACT ACTUATE 0 PULSE(0 5 1ms 100u 100u 5ms 20ms)
S1 VCC INPUT_SIG ACTUATE 0 SW_TACTILE

* --- Input Stage ---
* R1: 10 kOhm, Base current limiting
R1 INPUT_SIG BASE 10k

* R2: 100 kOhm, Pull-down resistor (keeps Base low when S1 is open)
R2 BASE 0 100k

* --- Transistor Switch ---
* Q1: 2N2222 NPN Transistor
* Connections: Collector=COLL, Base=BASE, Emitter=0(GND)
Q1 COLL BASE 0 2N2222

* --- Output Load ---
* R3: 330 Ohm, LED current limiting resistor
R3 VCC LED_ANODE 330

* D1: Red LED
* Connections: Anode=LED_ANODE, Cathode=COLL
D1 LED_ANODE COLL RED_LED

* --- Component Models ---
* Switch Model: Added hysteresis (Vh) and relaxed Ron for better convergence
.model SW_TACTILE SW(Vt=2.5 Vh=0.1 Ron=1 Roff=100Meg)

* Transistor Model: Standard 2N2222 parameters
.model 2N2222 NPN(IS=1E-14 VAF=100 BF=200 IKF=0.3 XTB=1.5 BR=3 CJC=8p CJE=25p TR=46.9n TF=411p ITF=0.6 VTF=1.7 XTF=3 RB=10 RC=1 RE=0.1)

* LED Model: Generic Red LED parameters
.model RED_LED D(IS=93.2p RS=42m N=3.73 BV=5 IBV=10u CJO=2.97p VJ=0.75 M=0.33 TT=4.32u)

* --- Analysis Commands ---
.op
* Simulate for 10ms to capture the button press event
.tran 100u 10ms

* --- Output Directives ---
* Printing INPUT (Switch output) and OUTPUT (Collector voltage) first
.print tran V(INPUT_SIG) V(COLL) V(BASE) V(LED_ANODE) V(ACTUATE)

.end

Resultados de Simulación (Transitorio)

Resultados de Simulación (Transitorio)
Show raw data table (170 rows) 
Index   time            v(input_sig)    v(coll)         v(base)         v(led_anode)    v(actuate)
0	0.000000e+00	9.890018e-03	8.982941e+00	8.991007e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
1	1.000000e-06	9.890019e-03	8.982941e+00	8.991008e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
2	2.000000e-06	9.890019e-03	8.982941e+00	8.991008e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
3	4.000000e-06	9.890021e-03	8.982941e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
4	8.000000e-06	9.890021e-03	8.982941e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
5	1.600000e-05	9.890021e-03	8.982941e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
6	3.200000e-05	9.890021e-03	8.982941e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
7	6.400000e-05	9.890021e-03	8.982942e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
8	1.280000e-04	9.890021e-03	8.982942e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
9	2.280000e-04	9.890021e-03	8.982943e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
10	3.280000e-04	9.890021e-03	8.982944e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
11	4.280000e-04	9.890021e-03	8.982945e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
12	5.280000e-04	9.890021e-03	8.982946e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
13	6.280000e-04	9.890021e-03	8.982947e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
14	7.280000e-04	9.890021e-03	8.982948e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
15	8.280000e-04	9.890021e-03	8.982949e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
16	9.280000e-04	9.890021e-03	8.982950e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
17	1.000000e-03	9.890021e-03	8.982950e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	0.000000e+00
18	1.010000e-03	9.890021e-03	8.982951e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	5.000000e-01
19	1.027500e-03	9.890021e-03	8.982951e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	1.375000e+00
20	1.032344e-03	9.890021e-03	8.982951e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	1.617187e+00
21	1.040820e-03	9.890021e-03	8.982951e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	2.041016e+00
22	1.043167e-03	9.890021e-03	8.982951e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	2.158325e+00
23	1.047272e-03	9.890021e-03	8.982951e+00	8.991010e-03	9.000000e+00	2.363617e+00
... (146 more rows) ...

Errores comunes y cómo evitarlos

  1. Intercambiar Colector y Emisor:
    • Error: El LED se enciende pero se ve tenue o no conmuta completamente. El transistor puede sobrecalentarse.
    • Solución: Verifica el pin-out del 2N2222 (E-B-C o C-B-E dependiendo del encapsulado/hoja de datos específica).
  2. Omitir la resistencia de Base (R1):
    • Error: Conectar el interruptor directamente a la Base provoca un flujo masivo de corriente de Base a Emisor, destruyendo el transistor instantáneamente.
    • Solución: Incluye siempre una resistencia limitadora (R1) en serie con la Base.
  3. Base flotante (Falta R2):
    • Error: El LED puede parpadear o brillar débilmente cuando el interruptor está abierto porque la Base capta ruido electromagnético.
    • Solución: Asegúrate de que R2 (Pull-down) esté conectada a tierra para descargar la capacitancia de la Base cuando el interruptor esté abierto.

Solución de problemas

  • Síntoma: El LED está siempre ENCENDIDO, incluso cuando no se presiona el botón.
    • Causa: Cortocircuito interno C-E en el transistor o R2 falta/desconectada.
    • Solución: Reemplaza Q1 y verifica la conexión de R2 a Tierra.
  • Síntoma: El LED no se ENCIENDE cuando se presiona el botón.
    • Causa: LED conectado al revés, valor de R1 demasiado alto (impidiendo la saturación) o R3 demasiado alta.
    • Solución: Comprueba la polaridad del LED. Verifica que R1 sea de 10 kΩ y R3 de 330 Ω.
  • Síntoma: El LED es muy tenue cuando está ENCENDIDO.
    • Causa: El transistor está en la región «Activa», no en «Saturación».
    • Solución: Disminuye ligeramente R1 (p. ej., a 4.7 kΩ) para aumentar la corriente de Base (IB) y forzar la saturación completa.

Posibles mejoras y extensiones

  1. Control de alta potencia: Reemplaza el LED y R3 con un relé de 9 V (recuerda añadir un diodo flyback en paralelo con la bobina del relé) para controlar una lámpara doméstica.
  2. Luz nocturna automática: Reemplaza el pulsador táctil (S1) con una LDR (Fotorresistencia) y ajusta la posición de las resistencias para crear un sensor que encienda el LED en la oscuridad.

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Quiz rápido

Pregunta 1: ¿Cuál es el objetivo principal de este caso práctico con el transistor BJT?




Pregunta 2: ¿En qué estado se encuentra el transistor cuando el botón está soltado (reposo)?




Pregunta 3: ¿Cuál es el valor aproximado de la corriente de colector (IC) cuando el transistor está en corte?




Pregunta 4: ¿Qué sucede con el LED cuando el transistor entra en saturación?




Pregunta 5: ¿A qué valor aproximado cae el voltaje VCE cuando el transistor está en saturación idealmente?




Pregunta 6: ¿Cuál es la función principal de la resistencia de base en este circuito de conmutación?




Pregunta 7: ¿Alrededor de qué valor se estabiliza VBE cuando el transistor BJT de silicio está conduciendo?




Pregunta 8: ¿Qué utilidad tiene este circuito en relación con los microcontroladores?




Pregunta 9: ¿Cuál es el valor aproximado de VCE en el estado de reposo (corte)?




Pregunta 10: ¿Qué tipo de transistor se utiliza específicamente en este caso práctico?




Carlos Núñez Zorrilla
Carlos Núñez Zorrilla
Electronics & Computer Engineer

Ingeniero Superior en Electrónica de Telecomunicaciones e Ingeniero en Informática (titulaciones oficiales en España).

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