Hola, ¿Cómo estás? Espero que te encuentres muy bien, me da mucho gusto saludarte y saber que estas aquí listo para aprender algo nuevo, hoy te voy a platicar de un tema sumamente interesante, que tiene gran importancia dentro del campo de la electrónica analógica; si, hablamos del AMPLIFICADOR CON TRANSISTORES.

El objetivo que debemos lograr juntos al finalizar este artículo, es que consigas entender en su totalidad como funciona un amplificador con transistores y conozcas todas las cualidades que posee, tanto de forma teórica como práctica. Esto es para que, si llegas a trabajar con estos dispositivos, lo hagas de una forma profesional y correcta.

Vamos a explorar este tema desde raíz: partiremos de la definición exacta sobre lo que son los amplificadores y los transistores, y a partir de aquí podremos conocer como se unen estos conceptos, tanto de forma teórica como práctica, pues habrá un ejemplo donde apliquemos todo lo aprendido, sobre todo la teoría matemática que analizaremos; descuida, que será mucho más fácil de lo que crees, ya verás.

¿Qué es un amplificador con transistores?

Recordemos rápidamente que un amplificador es un dispositivo que tiene la capacidad de aumentar la fuerza de una señal, aumentando también la amplitud y sin cambiar sus demás características de dicha señal; esta señal que se maneja en la entrada puede ser una señal de potencia, una señal de corriente o sencillamente una señal de voltaje.

• Ver amplificador operacional
• Ver amplificadores de potencia

Ya recapitulado este concepto, todo se pone mucho más interesante, ya que un transistor tiene como característica especial su posible uso como un amplificador; sin embargo, ¿Cómo funciona? Veámoslo desde el funcionamiento básico de un transistor.

¿Qué es el transistor?

Podemos definir al transistor de la siguiente manera:

Un transistor es un dispositivo electrónico de naturaleza semiconductora que es utilizado para entregar una determinada señal de salida, en respuesta a una previa señal de entrada. Es empleado comúnmente con fines de amplificación, oscilación o rectificación.

Fácil, ¿no? Ahora debes recordar que el transistor esta constituido por tres partes esenciales, las cuales forman uniones bipolares:

• Emisor (E): emite portadores de cargas (partículas con cargas eléctricas).
• Colector (C): recibe a estos portadores y los recolecta.
• Base (B): esta parte esta entre las dos partes anteriores, pues tiene como objetivo controlar el paso de los portadores de carga.

Entonces, si nos vamos a la realidad, cuando te encuentres trabajando con un transistor te encontrarás con solo tres patillas, las cuales hay que tener mucho cuidado al conectar, debido a que sus conexiones pueden variar dependiendo del tipo de transistor que estés operando. Generalmente lo encuentras con la siguiente simbología:

Símbolo del transistor

¡Ah!, otra cosa: en cada patilla podrás encontrar una corriente eléctrica, por lo que tendrás una corriente por la base (Ib), una corriente por el colector (Ic) y una corriente por el emisor (Ie). Esto es importante, pues de aquí radica su funcionamiento: si no existe corriente en la base (Ib), no existirá corriente entre el emisor y el colector.

En otro caso, si llega una corriente mínima por la base, si existirá una corriente entre el emisor y el colector, e incluso será de valor mayor que la corriente de base; ¿ya te diste cuenta? Si prestas atención en esto, puedes concluir que se puede considerar a la corriente de base (Ib) como una corriente de entrada, y a la corriente entre el emisor y el colector (Ic-e) como una señal de salida; con esto podemos deducir que si tenemos una corriente de entrada de valor pequeño, se obtiene una corriente de salida más grande.

Todo lo anterior es comúnmente aplicable en los transistores BJT, pero más adelante conoceremos más acerca de estos transistores. Mientras tanto, conozcamos los tipos de transistores que existen para descubrir cuál es el más utilizado como amplificador y sus características.

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Tipos de transistor

Así es; dentro del mundo de los transistores tenemos varios tipos de transistores, específicamente tres principales tipos:

• Transistor de contacto puntual.
• Transistor de efecto de campo.
• Fototransistor.
• Transistor de unión bipolar (en el que nos vamos a centrar más).

Ven, veamos a detalle cada uno de estos transistores.

➤ Transistor de contacto puntual

• Este transistor, el cual también se conoce como “transistor de punta de contacto”, esta constituido de una base de germanio y tiene dos puntas estrechas entre si, las cuales representan al colector y al emisor. Su funcionamiento se basa en efectos de superficie. Hoy en día son transistores obsoletos.

➤ Transistor de efecto de campo

• Este tipo de transistor está constituido por una barra de material semiconductor de silicio tipo negativo (N) o positivo (P). Esta barra posee tres terminales: compuerta, drenador y surtidor. Si se aplica un voltaje positivo entre el drenador y el surtidor, y se conecta la compuerta al surtidor, obtendremos una corriente de drenador con polarización cero.
• Lo que acabo de describirte es la forma en la que opera el famoso transistor JFET, t tendremos otro tipo de transistores de efecto de campo dependiendo de la configuración de la compuerta; por ejemplo, si la compuerta es metálica y se encuentra separada del canal semiconductor por una capa de material oxido, tendremos el transistor MOSFET.

➤ Fototransistores

• Estos transistores se caracterizan por ser sensibles a la radiación electromagnética de la luz visible, es decir, el flujo de corriente en este transistor es controlado por medio de la luz. Los fototransistores pueden trabajar en modo común (como un transistor normal) y en modo de iluminación (cuando la corriente es controlada por luz incidente).

➤ Transistor de unión bipolar (BJT)

Este es uno de los transistores más utilizados, ya que su versatilidad permite trabajarlos en cualquier modo de funcionamiento, sobre todo el de amplificación, que veremos más adelante y en el que nos centraremos. Mientras tanto, conozcamos las características más importantes de este tipo de transistor.

El transistor de unión bipolar es fabricado sobre un monocristal semiconductor. Sobre este monocristal se contaminan de forma artificial tres zonas específicas: N-P-N o P-N-P, dando origen a los dos tipos de uniones PN principales. La zona N significa que esa zona posee portadores de carga negativa; mientras tanto, la zona P posee portadores de carga positivo o también llamado “huecos”. 

Ojo con este dato, pues estas zonas dan origen a los dos tipos de transistores bipolares: transistores con unión NPN o PNP, donde el carácter de en medio determina la naturaleza de la base y las otras dos letras a los costados determinan la naturaleza del emisor y del colector.

Otra característica que define a este tipo de transistores esta protagonizada por las regiones operativas, que dependen principalmente de la polarización. Siendo así, tenemos 3 regiones operativas principales, y son las siguientes:

• Región de corte: Este modo de funcionamiento se caracteriza por tener a la corriente de colector (Ic) y a la corriente de emisor (Ie) con un valor igual a cero. El voltaje de alimentación del circuito es el mismo voltaje que hay entre el colector y el emisor. En este modo, se puede decir que el transistor se encuentra apagado o desactivado. Esta región tiene aplicación en la conmutación.
• Región activa: Como dice su propio nombre, en esta región el transistor se encuentra activado. En este modo de trabajo el voltaje que hay entre el emisor y el colector (Vce) se encuentra entre las regiones de saturación y corte. La corriente de colector (Ic) depende principalmente de la corriente base (Ib) Prácticamente podemos decir que un transistor que no esta ni en la región de corte ni en la región de saturación se encuentra en región activa. Esta región es la que hoy nos interesa más, porque precisamente es en esta región donde un transistor puede funcionar como amplificador de señales.
• Región de saturación: En este modo de funcionamiento el valor de la corriente depende directamente del valor del voltaje de alimentación y del valor de las resistencias conectadas al emisor y/o al colector. Se puede considerar a la unión del colector con el emisor (CE) como un cable, el valor de la diferencia de potencial entre estas partes se acerca demasiado a cero.

Un poco extenso, pero sencillo de entender, ¿no crees? Hasta ahora hemos visto pura teoría del transistor con el objetivo de dejar claros algunos puntos y que recuerdes conceptos importantes referente a este tema; sin embargo, en los siguientes apartados nos centraremos en el comportamiento del transistor BJT como amplificador y todas las configuraciones disponibles, pues es el más popular y utilizado en aplicaciones como la amplificación de audio y comunicaciones inalámbricas.

El transistor BJT como amplificador

Los transistores BJT son muy populares, y en temas de amplificación no es la excepción, pues son amplificadores de corriente ideales. Como mencionamos en apartados anteriores, si introduces una pequeña señal de entrada, obtendrás en la salida una señal más grande.

En la práctica tenemos tres configuraciones amplificadoras básicas con transistores bipolares: base común, emisor común y colector común, siendo la configuración de emisor común la más popular y la que más nos va a interesar en este artículo, pero eso lo veremos más adelante. Mientras tanto, veamos de que se trata cada una de estas configuraciones.

➤ Configuración Base común

Para esta configuración, el circuito es el siguiente:

En esta configuración los capacitores de entrada y salida (Ci y Co) funcionan como capacitores de acoplamiento, teniendo como objetivo el eliminar el nivel de corriente continua (CC) que hay en la entrada y/o salida y dejar pasar solo la señal a amplificar. Mientras tanto, el capacitor CE actúa como un capacitor de deriva, y sirve para mantener el voltaje de polarización de la base.

Otro detalle que debes conocer, es que las resistencias RB1, RB2, RC y RE tienen la misión de polarizar de manera optima las uniones del transistor, lo que ayuda a establecer el modo de trabajo correcto en el transistor para que amplifique correctamente.

Las características más importantes de esta configuración son las siguientes:

• El circuito presenta una baja impedancia de entrada.
• La ganancia de corriente es menor a la unidad.
• Las ganancias de potencia y de voltaje son altas, dependiendo del valor Beta del transistor.
• Se utiliza mucho en la amplificación de altas frecuencias.

➤ Configuración Colector común

El circuito de esta configuración, la cual también es conocida como seguidor de emisor, se ve de la siguiente forma:

En este circuito la señal es introducida por el capacitor de entrada (Ci) y es extraída por el capacitor de salida (Co). Para que esto funcione correctamente, el colector debe ser conectado a tierra por medio del capacitor CE, con el fin de ser elemento común entre la salida y la entrada. Otro dato interesante es que la señal de entrada y la señal de salida se encuentra en fase.

Las características más importantes de este circuito son las siguientes:

• Tiene una baja impedancia de salida.
• Tiene una alta impedancia de entrada.
• Tiene una ganancia de potencia inferior a la de la configuración base común y emisor común.
• Posee una ganancia de voltaje menor a la unidad.
• Es usado muchas veces como adaptador de impedancias.

➤ Configuración Emisor común

Hemos llegado al protagonista del día de hoy: la configuración en emisor común. Esta configuración es la más famosa y utilizada en la amplificación con transistores; por lo tanto, me detendré a explicar con más detalle esta configuración. Además, debes conocer bien esta parte teórica, pues nuestro ejemplo práctico será diseñar un amplificador en emisor común. ¿Estas listo? ¿Estas lista?

En esta configuración existen dos tipos principales de polarización: polarización universal y polarización por divisor de voltaje. Primero te explicaré el funcionamiento de la configuración en emisor común por medio de polarización universal, y posteriormente la configuración utilizando la polarización de división de voltaje, pues es la más utilizada. Venga, veamos de qué se trata esta polarización.

Polarización universal

El circuito de la configuración en emisor común utilizando la polarización universal se ve de la siguiente forma:

En este circuito, al igual que en la configuración de base común, los capacitores de entrada y salida (Ci y Co) tienen función de capacitores de acoplamiento, mientras que el capacitor CE, funciona como capacitor de deriva.

Mientras tanto, las resistencias tienen como objetivo el polarizar el circuito y colocarlo en el punto de funcionamiento adecuado para la amplificación.

Las características más importantes de esta configuración son las siguientes:

• La impedancia de entrada va del orden de los 20 Ohm a los 5 kOhm.
• La impedancia de salida va de los 50 Ohm, a los 50 kOhm.
• La ganancia de corriente puede llegar a tener un valor de 50 unidades.
• La ganancia de potencia es alta, pues puede llegar a las 10,000 unidades.

Ahora veamos como trabaja la configuración en emisor común utilizando la polarización por divisor de voltaje.

➤ Polarización por divisor de voltaje

Este tipo de polarización es el más común, y se caracteriza por utilizar dos resistencias como red divisor de potencial a través de la fuente de alimentación.

Este método de polarización es eficiente, pues reduce los efectos que se originan con las variaciones de Beta; con esto se logra mantener una polarización de la base muy constante, y por lo tanto, estable. El voltaje que hay en la base (Vb) es resultado del divisor de voltaje formado por las resistencias R1 y R2. El circuito se ve de la siguiente forma:

Para calcular el voltaje de polarización, utilizamos la siguiente expresión matemática:

Por cierto, el valor Beta es la ganancia de corriente directa de los transistores en esta configuración. El valor de Beta no tiene unidades, pues se trata de una relación entre la corriente de colector (Ic) y la corriente de base (Ib). Conociendo esto, puedes deducir que un cambio mínimo en la corriente de base puede provocar un cambio grande en el valor de la corriente de colector. El valor de Beta se puede calcular de la siguiente forma:

¡Espera!, ya hemos conocido como funciona un amplificador utilizando un transistor BJT en configuración de emisor común. ¿Qué toca ahora? Si, conocer las fórmulas y cálculos necesarios para diseñar un amplificador utilizando transistores BJT, para que posteriormente hagamos un ejercicio. Venga, vamos a la parte teórica.

¿Cómo diseñar un amplificador utilizando un transistor BJT? (Fórmulas)

Las formulas y los cálculos que veremos en este apartado corresponden al circuito de configuración en emisor común utilizando la polarización por divisor de voltaje. Venga, recordemos como es el diagrama de este circuito:

Para diseñar este amplificador vas a necesitar las siguientes formulas:

Ganancia de voltaje

La ganancia, o factor de amplificación, se define como la relación que existe entre las amplitudes de entrada y salida. La ganancia de voltaje (Gv) se calcula de la siguiente manera:

Donde:

• RC = valor de la resistencia de colector, en ohms.
• RE = valor de la resistencia de emisor, en ohms.
• El signo negativo representa que la señal de salida invertida respecto a la señal de entrada.

Voltaje de emisor y corriente de emisor

Para calcular el voltaje de emisor podemos utilizar la siguiente expresión:

Para la corriente podemos utilizar esta formula:

Pero la corriente de emisor también la podemos calcular con ayuda de la corriente de colector y la corriente de base:

Así mismo, la corriente de base se puede expresar de la siguiente manera:

Por lo tanto, también podemos definir a la corriente emisor de la siguiente manera:

De aquí ya podemos deducir la corriente de colector y su voltaje.

Corriente y voltaje de colector 

La corriente de colector la podemos calcular de la siguiente forma:

Y el voltaje de colector se calcula de la siguiente manera:

Y de esta forma, llegamos a la conclusión de que la ganancia se calcula de la siguiente forma:

Corriente de base o corriente de entrada

La corriente de entrada se puede calcular de la siguiente manera:

Pero si el voltaje de base (VB) es mucho mayor que el voltaje de base-emisor (VBE), la corriente de base se calcula de la siguiente forma:

Ya con esto, podemos conocer la impedancia de entrada (Zin).

➤ Impedancia de entrada

La impedancia de entrada la podemos obtener de la siguiente forma:

De esta forma, puedes diseñar un amplificador utilizando transistores BJT en emisor común, con polarización como divisor de voltaje. Claro, podemos tener otros datos e información, como una ganancia establecida o una frecuencia de corte; sin embargo, con las formulas anteriormente vistas puedes obtener todas las características de un amplificador.

Ahora si, ya hemos acabado con la parte teórica de este tema; para finalizar, continuemos con un ejemplo práctico para reforzar todo lo aprendido. ¿Vamos?

Ejemplo práctico: el transistor como amplificador

Tenemos un amplificador realizado con un transistor NPN BJT en configuración de emisor común con polarización de divisor de voltaje que posee un voltaje de alimentación (Vcc) de 15v, con una resistencia de colector (Rc) con un valor de 1.2kOhms. Ya se conoce el valor de Beta, el cual es de 100 y la caída de voltaje en la resistencia de emisor (VRE) es de 1.5v. Los valores de las resistencias del divisor de voltaje es de 27kOhms para R1 y 3.9kOhms para R2.

Sin embargo, el circuito está incompleto, y nuestro objetivo es descubrir el valor de la resistencia de emisor (RE), el valor de la corriente de colector (Ic), el valor de corriente de base (Ib) y el valor de corriente de emisor (Ie).

• Comencemos conociendo el circuito con el que estamos trabajando:

• Primero comencemos calculando el valor de la corriente de colector (Ic). En este circuito se requiere conocer el valor de la corriente de carga en un punto Q punto de inactividad; para esto, tienes que observar que el colector se encuentra casi a la mitad de la línea de carga y el voltaje de alimentación, por lo que la formula que utilizaremos es la siguiente:

Haciendo el calculo, el resultado es el siguiente:

Así concluimos que el valor de la corriente en colector es de 5.6mA.

• Ahora calculemos e valor de la corriente de base:

De esta forma concluimos la corriente de base o corriente de entrada.

• Con los anteriores datos, podemos encontrar el valor de la corriente de emisor de la siguiente manera:

Determinamos que el valor de la corriente de emisor es de 5.65mA.

• Finalmente calculamos la resistencia de emisor:

¡Nuestro circuito está listo!, y ha quedado de la siguiente forma:

Como puedes ver, el diseño del circuito a quedado completo, pues ya tenemos todos los componentes que necesitábamos. A partir de aquí puedes seguir calculando más datos, como la impedancia de salida o la ganancia de voltaje del circuito. Como te mencioné en un principio, puedes tener información variada al inicio, sobre todo si conoces que ganancia deseas operar y el tipo de frecuencias que controlará el amplificador.

Por último, recuerda que el componente más importante en este circuito es la resistencia que se encuentra en el colector (Rc), ya que aquí es donde se producirá la salida del voltaje que deseamos amplificar. El valor de esta resistencia se elige para que el modo de inactividad (o punto Q) se encuentre a la mitad de la lineal de carga del transistor, por eso utilizamos una fórmula distinta en el calculo de la corriente de colector.

Vídeo de amplificadores con transistores

Y así es como hemos llegado al final de este artículo. Sé que ha sido un poco extenso este camino, sobre todo en la parte teórica, pero créeme que todos los términos y conceptos te los traté de explicar de una forma mucho más simple para que pudieras disfrutar de la travesía, espero hayas entendido a la perfección desde los conceptos básicos hasta la ejemplificación.

El amplificador es uno de los sistemas electrónicos más importantes que hoy en día la tecnología posee, pues nos ha permitido muchos logros dentro del campo de la electrónica analógica y las telecomunicaciones. Algunas aplicaciones que te puedo mencionar, es la ya tan obvia amplificación de señales, las cuales pueden ser señales de radio; además, gracias a los amplificadores tenemos la comunicación a largas distancias, la comunicación vía fibra óptica y la amplificación de audio.

Otra cosa que hay que rescatar y que merece atención, es como el transistor puede ser un componente muy versátil, pasando de funcionar como un simple interruptor, a ser un amplificador bastante eficiente y poderoso, como lo es el amplificador realizado con transistores de unión bipolar. Es muy interesante observar como las características propias de la electrónica y la física son un todo en el comportamiento de estos elementos.

Antes de despedirme, y como ya es costumbre por aquí, te dejo algunos puntos importantes que valen la pena rescatar en esta racha final. Acompáñame a ver cuáles son:

• ¿Cómo se define a un amplificador? Un amplificador es un dispositivo que tiene la capacidad de aumentar la fuerza de una señal, aumentando también la amplitud y sin cambiar sus demás características de dicha señal; esta señal que se maneja en la entrada puede ser una señal de potencia, una señal de corriente o sencillamente una señal de voltaje.
• Existen varios tipos de amplificadores, pero uno de los más famosos son aquellos que son realizados con transistores.
• Tenemos diferentes tipos de transistores, pero el más utilizado para la amplificación, es el transistor de unión bipolar (BJT), aunque también se puede ocupar el transistor de efecto de campo (FET).
• Para que un transistor pueda funcionar en modo de amplificación, debe estar en la región activa. Recuerda que tenemos tres regiones de operación: región de corte, región activa y región de saturación.
• Los transistores BJT poseen tres terminales: base, emisor y colector. Además, pueden ser de unión NPN y PNP, siendo NPN la unión más utilizada.
• En los transistores BJT tenemos tres configuraciones posibles para realizar un amplificador: base común, emisor común y colector común.
• Los amplificadores con transistores más utilizados y más populares son los que están realizados con transistores BJT en configuración emisor común.
• Para que un amplificador con transistores funcione adecuadamente, tenemos que realizar una polarización, la cual puede ser de dos maneras: polarización universal o polarización por divisor de voltaje.

¡Felicidades! Ahora si hemos llegado al final de este articulo. Si te ha gustado y, sobre todo, te ha servido, no olvides compartirlo con quien creas que le será de mucha ayuda y que necesite comprender este tema, este gesto me ayudaría mucho para seguir escribiendo estos artículos llenos de aprendizaje.

Sin más, te recuerdo jamás dejar de aprender y sigue explorando este tema, que aún quedan muchísimas cosas por aprender.

¡Hasta la próxima!