. En este caso, la carga que tiene el circuito es sólo la del motor, entonces podemos concluir que la corriente del colector será la misma del motor. Ahora sabemos que
= 0.1 A. Ya conocemos nuestro primer valor:
. Para este ejemplo usaremos tres posibles candidatos. El
(dar clic para ver sus especificaciones). Identificando las especificaciones de cada transistor en su respectiva hoja de datos, seremos capaces de determinar cuál es el más apto para el circuito.
Si abrimos la hoja de datos del 2N3904, y vamos al apartado ABSOLUTE MAXIMUM RATINGS, encontraremos la corriente máxima que puede soportar el colector, así como también encontraremos el voltaje máximo permitido entre colector y emisor.
. Es decir, el transistor 2N3904 fue diseñado para soportar un máximo de 200 mA (0.2 A), así que si conectamos un motor de 500 mA (0.5 A), inevitablemente terminaremos con un transistor quemado; y, posiblemente, con otros componentes dañados. Sin embargo, la corriente del motor con la que estamos trabajando en este ejemplo es de 100 mA, así que los parámetros del transistor 2N3904 se ajustan a nuestras necesidades, ya que soporta un máximo de 200 mA; el doble de la corriente de nuestro motor.
. Nos desplazamos hacia abajo hasta encontrar el apartado ELECTRICAL CHARACTERISTICS. Una vez allí, podremos ver la siguiente tabla:
Como vemos, encontraremos varios valores para la ganancia. Para determinar cuál es la que usaremos, tomaremos el valor más cercano con el que trabajará la corriente del colector. Observamos que cuando
= 100 mA, su ganancia es de 30.
. Ya hemos encontrado nuestro segundo valor:
multimetro (también conocido como tester o polimetro), pueden medir directamente la ganancia del transistor.
. Sabemos que la corriente del colector es igual al producto multiplicado entre la corriente de base y la ganancia, que matemáticamente se expresa como:
Despejamos la ecuación para obtener la fórmula de la corriente de la base:
IB = IC / β
Sabemos que la corriente del colector es 0.1 A, y la ganancia es 30, así que sustituimos valores:
IB = 0.1 A / 30
IB = 0.0033333333 A;
IB = 3.33 mA
Hemos calculado que la corriente de la base serán 3.33 mA.
Como medida de protección, es recomendable multiplicar el valor calculado de la corriente por un factor de seguridad de 2, 3 o 4. Para este ejemplo, multiplicaré la corriente de base por 3; en este caso decidí multiplicar por 3 con la finalidad de obtener un número entero.
IB = 3.33 mA x 3 = 10 mA
Una vez aplicado el factor de seguridad, podemos proceder con el cálculo de
RB utilizando la ley de Ohm:
VB = IB x RB
VS - VL = IB x RB
Donde
VS es el voltaje de la fuente, y
VL es el voltaje de la carga. En el ejemplo, la base del transistor está conectada a una salida de un arduino.
La salida de un arduino otorga un máximo de 5 V y 40 mA. Por lo tanto, tenemos que el voltaje de la fuente son 5 V. Y debido a que el transistor 2N3904 está hecho de silicio, el potencial de barrera es de 0.7 V (recordar que si el transistor estuviera hecho de germanio, el potencial de barrera sería 0.3 V). Entonces tenemos que el voltaje de carga son 0.7 V.
5 V - 0.7 V = IB x RB
4.3 V = 10 mA x RB
Despejamos R
B, y obtenemos:
RB = 4.3 V / 0.01 A
Y finalmente obtenemos el valor de nuestra resistencia de base.
RB = 430 Ω
Sin embargo, en el mundo real, no se comercializan resistencias con ese valor. Los valores de las resistencias comerciales ya vienen predeterminados por el fabricante. En otras palabras,
las resistencias se venden con un valor estandarizado. En la siguiente tabla podremos apreciar los valores que encontraremos al momento de conseguirlas.
Usaremos el valor comercial superior más próximo a la resistencia que calculamos anteriormente, en este caso
470 Ω. Lo ideal sería trabajar con el valor superior más próximo, pero si no encontramos resistencias de 470 Ω,
podemos usar sin ningún problema el valor comercial inferior más próximo, es decir
390 Ω (recordar que antes multiplicamos por un factor de seguridad, para así tener un rango más amplio a la hora de seleccionar las resistencias que usaremos, sin tener que comprometer el correcto funcionamiento y la seguridad del circuito).
EN RESUMEN
Para calcular la resistencia de base de un transistor:
- Conocer la corriente del colector.
- Escoger el transistor adecuado en base a la hoja de datos.
- Identificar la ganancia con la que trabajará el transistor que seleccionamos.
- Calcular la corriente de base (IB = IC / β).
- Multiplicar la corriente de base por un factor de seguridad de 2, 3 o 4.
- Calcular la resistencia de base (VS - VL = IB x RB).
SEGUNDO EJEMPLO
Ahora que conocemos la teoría. Veamos un segundo ejemplo de manera simplificada. Tomaremos de referencia el mismo circuito:
La diferencia consistirá en que esta vez trabajaremos con un motor de mayor corriente.
El motor de este ejemplo trabaja a 12 V y consume una corriente de 1600 mA. Usaremos los mismos transistores para candidatos. El 2N3904, el P2N2222A, y el TIP31; ya que anteriormente el 2N3904 fue suficiente para lo que requeríamos.
Ya sabemos que la corriente que pasará por el colector será la misma del motor, o sea 1.6 A.
IC = 1.6 A
Como segundo paso,
buscaremos qué transistor se adapta a nuestras necesidades, para ello examinaremos sus características en su respectiva hoja de datos. Como ya conocemos las especificaciones del 2N3904, destacaré sus datos más importantes en la siguiente ficha técnica:
Podemos apreciar que la corriente máxima que soporta el colector es de 0.2 A, por lo que
utilizar este transistor con un motor que trabaja a 1.6 A, tendrá como consecuencia daños al circuito. Principalmente terminaremos con un transistor quemado. Así que descartamos el 2N3904, y analizamos nuestro segundo candidato: el P2N2222A. Les recomiendo echar un vistazo a la hoja de datos del transistor, pero para economizar tiempo, resumiré los rasgos más importantes del P2N2222A en la siguiente ficha técnica:
Una vez más, nos damos cuenta que
este transistor también terminará por quemarse, ya que no soportaría la corriente del motor. Veamos por último el TIP31. No olviden revisar su hoja de datos, ya que una vez más resumiré los datos que nos importan en una ficha técnica:
Esta vez el transistor
soporta una corriente máxima en su colector de 3 A, casi el doble de corriente con la que trabaja nuestro motor. Por lo tanto, continuaremos los cálculos haciendo uso de este transistor.
Necesitaremos identificar con qué ganancia trabajará, según nuestro circuito. Para ello, veremos la hoja de datos:
Encontraremos dos valores para la ganancia.
Para determinar cuál usaremos, debemos encontrar el valor superior de la corriente del colector más cercano (
IC > 1.6 A). Para hacerlo más claro, como la corriente que pasará por el colector será superior a 1 A, trabajaremos con la ganancia cuando
IC = 3 A. Hemos identificado que el segundo valor es:
β = 10
A continuación ya podemos calcular la corriente de la base:
IB = IC / β
IB = 1.6 A / 10
IB = 160 mA
En este punto nos encontramos con otro problema. Si bien es cierto que el motor y el transistor no sufrirán daños,
el puerto de nuestro arduino, en donde se encuentra conectado el transistor, podría dañarse. Además, el motor no trabajará eficientemente. Recordar que las salidas del arduino sólo pueden entregar como máximo 40 mA, y para que nuestro motor funcione correctamente, exige que el arduino entregue 4 veces más el máximo de la corriente que puede suministrar. En otras palabras, estaríamos forzando al arduino a exceder sus capacidades. Entonces,
a estas alturas, para evitar daños a los componentes que integran el circuito, es mejor buscar otro candidato. Echemos un vistazo a uno de los candidatos más robustos y confiables que existen en cuanto a transistores se refiere: el
TIP120 (clic para ver sus parámetros). Una vez más, resumiré los rasgos más importantes de nuestro interés en la siguiente ficha técnica:
Soporta una corriente de colector máxima de 5 A, por lo que
fácilmente podrá soportar la corriente de 1.6 A que genera el motor. Su ganancia es fija, se mantiene en
2500. Así que calculemos una vez más la corriente de base que generaría este transistor.
IB = IC / β
IB = 1.6 A / 2500
IB = 0.64 mA
Con este transistor no hay ningún problema, ya que la corriente que generará, será muy por debajo de los 40 mA que puede proporcionar el arduino.
Procederemos a multiplicar la corriente de base por nuestro factor de seguridad.
IB = 0.64 mA x 4 = 2.56 mA
Y finalmente podemos calcular nuestra resistencia de base:
VS - VL = IB x RB
5 V - 0.7 V = IB x RB
4.3 V = 2.56 mA x RB
RB = 4.3 V / 0.00256 A
RB = 1679.6875 Ω
Lógicamente no existen resistencias de 1679.6875 Ω, por lo
que buscaremos qué valores comerciales son los más cercanos. El valor comercial inferior más próximo es
1500 Ω (1.5 kΩ), y el valor comercial superior más cercano es
1800 Ω (1.8 kΩ). Así que
cualquiera de esas dos resistencias, anteriormente mencionadas, funcionarán a la perfección.
CONCLUSIÓN
Como hemos visto en este artículo, hay una gran variedad de transistores diseñados para diferentes necesidades.
Deberemos ser muy cuidadosos a la hora de escoger el transistor ideal y calcular su resistencia de base, para así poder evitar daños a los componentes de nuestros circuitos.
