Teoría del módulo – Módulo 4 – Transistores como interruptores y amplificadores

¡Bienvenido al corazón de la electrónica moderna! Hasta ahora, nuestros componentes (resistencias, condensadores) eran pasivos: simplemente reaccionaban a la electricidad. Los transistores son diferentes; son componentes activos. Actúan como válvulas que permiten que una señal diminuta y débil controle un flujo de electricidad enorme y potente. Ya sea que quieras encender un motor pesado con un delicado chip de computadora o hacer que un susurro suene como un rugido, el transistor es tu herramienta. En este módulo, aprenderemos a usarlos como interruptores digitales y como amplificadores analógicos.

La Válvula Electrónica: Cómo Funcionan los Transistores

Imagina una tubería de agua grande con una válvula pesada. Para girar la manija de esa válvula, no necesitas la fuerza del agua que corre por la tubería; solo necesitas una mano pequeña para girarla. Un transistor funciona exactamente como esta válvula electrónica. Tiene tres patas. Una pata es por donde entra la electricidad principal (como la fuente de agua), otra es por donde sale (el drenaje), y la pata del medio es la manija de control.

En nuestro Caso práctico: El transistor como interruptor de luz, vemos esto en acción. Usamos una señal diminuta y débil de un botón para ‘empujar’ la pata de control. Esto abre las compuertas, permitiendo que una corriente mucho mayor fluya a través de las otras dos patas para encender un LED brillante. Si no usáramos un transistor, esa señal débil podría no ser lo suficientemente fuerte para encender el LED por sí sola. Esta es la esencia de la conmutación: usar un pequeño esfuerzo para controlar un gran resultado.

Lógica de Conmutación: Encendido, Apagado e Invertido

Los transistores son excelentes para tomar decisiones basadas en la presencia o ausencia de electricidad. Llamamos a estos estados ‘Saturación’ (totalmente ENCENDIDO, como una válvula completamente abierta) y ‘Corte’ (totalmente APAGADO, como una válvula cerrada). Pero también podemos ser inteligentes sobre cómo los activamos. A veces, queremos que las cosas se enciendan cuando una conexión se rompe en lugar de cuando se hace.

Considera el Caso práctico: Alarma de intrusión por rotura de cable. Aquí, cableamos el transistor de modo que mientras un cable de seguridad esté intacto, ‘roba’ la señal de control, manteniendo el transistor apagado. En el momento en que un ladrón corta ese cable, la señal de control no tiene a dónde ir más que al transistor, encendiéndolo y haciendo sonar la alarma. Esto muestra cómo los transistores forman los bloques básicos de la lógica: determinando ‘verdadero’ o ‘falso’ basándose en condiciones físicas.

Tiempo y Memoria: Añadiendo Condensadores

¿Qué sucede si combinamos nuestra nueva herramienta de conmutación con el tanque de almacenamiento que aprendimos en el módulo anterior: el condensador? Obtenemos un circuito que tiene sentido del tiempo. Dado que un condensador tarda tiempo en llenarse y vaciarse, puede mantener abierta la válvula de control del transistor incluso después de que dejes de presionar el botón.

En el Caso práctico: Temporizador de apagado lento, usamos este truco. Cuando sueltas el botón, el condensador actúa como una pequeña batería de respaldo. Alimenta lentamente su energía almacenada a la pata de control del transistor. El transistor no se cierra de golpe inmediatamente; en cambio, se cierra lentamente a medida que el condensador se seca. Esto crea un hermoso efecto de desvanecimiento, exactamente como las luces interiores de un automóvil que se atenúan lentamente después de cerrar la puerta.

Manejo de Cargas Pesadas y Retroceso Inductivo

A veces, lo que queremos conmutar es peligroso o difícil de manejar directamente para un pequeño transistor. Los relés mecánicos son excelentes para conmutar corrientes enormes, pero necesitan bastante energía para activar sus bobinas magnéticas. Aquí es donde usamos el Caso práctico: Interruptor de Relé con Transistor de Lado Bajo.

El transistor actúa como intermediario. Tu delicado circuito de control le dice al transistor que se encienda. El transistor maneja entonces la corriente de tamaño mediano necesaria para activar el relé. El relé maneja luego la corriente masiva para un calentador o motor. Sin embargo, las bobinas (inductores) son complicadas; cuando las apagas, devuelven un pico de electricidad. Debemos usar diodos de protección para asegurar que este retroceso no destruya nuestra válvula de transistor.

Amplificación: Haciendo Grandes las Señales Pequeñas

Hasta ahora, hemos usado el transistor como un interruptor duro: o totalmente abierto o totalmente cerrado. Pero, ¿qué pasa si mantenemos la válvula medio abierta? Este es el secreto del Caso práctico: Amplificador de audio simple. Para amplificar el sonido, no queremos cortar la señal en estados simples de Encendido/Apagado; queremos hacer las ondas más grandes manteniendo su forma.

Para hacer esto, establecemos un ‘punto de polarización’ o un punto de reposo. Imagina sostener la válvula de agua exactamente a la mitad. El agua fluye constantemente. Este es nuestro estado de reposo en CC. Ahora, si una pequeña ondulación (nuestra señal de audio) empuja tu mano, el flujo principal de agua aumentará y disminuirá en ritmo exacto con ese pequeño empujón, pero con mucha más potencia. El pequeño movimiento de entrada crea una enorme ola de salida. Esto es amplificación en la región activa.

Usamos condensadores de acoplamiento para bloquear el flujo constante de agua CC para que no entre ni salga, de modo que solo las ‘ondulaciones’ (el sonido) pasen. También usamos una resistencia en la pata del emisor para estabilizar el circuito, asegurando que los cambios de temperatura no abran accidentalmente la válvula demasiado. Si la señal es demasiado grande, la válvula golpea su límite máximo de apertura o cierre total, aplanando la parte superior de las ondas; llamamos a esto ‘recorte’ o distorsión.

Eligiendo la Herramienta Correcta: BJT vs. MOSFET

No todos los transistores son iguales. El BJT (Transistor de Unión Bipolar) que hemos discutido es controlado por corriente: tienes que empujar constantemente un poco de electricidad en la base para mantenerlo encendido. Hay otro tipo llamado MOSFET. En el Caso práctico: Comparando Interruptores BJT y MOSFET, vemos la diferencia.

Un MOSFET es controlado por voltaje (presión) en lugar de flujo de corriente. Es como una válvula que permanece abierta solo por la presión de tu mano descansando sobre ella, sin que tu mano se mueva realmente. Esto hace que los MOSFETs sean increíblemente eficientes porque no desperdician energía solo para mantenerse ‘encendidos’. Mientras que los BJTs son excelentes para tareas simples y amplificadores, los MOSFETs son a menudo mejores para la conmutación de alta potencia porque se mantienen más fríos y exigen menos del circuito de control.