El Cedazo

En el último capítulo de esta serie sobre el computador mágico describimos las tres zonas de funcionamiento de un transistor bipolar NPN. En este vamos a modelar ese comportamiento de dos formas que nos van a ser mucho más útiles. Bueno, una de ellas nos será mucho más útil, mientras que la otra vamos a contarla porque ya que estamos…

Antes de seguir voy a hacer una simplificación más, que ahora puede parecer un poco gratuita, pero que más adelante entenderemos. Vamos a suponer que ni en la Base ni en el Emisor hay cosas “adicionales”. Es decir, la Base está conectada directamente a la entrada y el Emisor está conectado directamente al polo negativo:

Transistor-conmutador

Entonces, podemos representar las tres zonas de funcionamiento del transistor así:^[1]

Así que podemos resumirlo de la siguiente forma:

• Cuando la tensión en la entrada es pequeña, el transistor es un circuito abierto (zona de corte).
• Cuando la tensión en la entrada es grande, el transistor es un circuito cerrado, como un cable conectando Colector con Emisor (zona de saturación).
• Cuando estamos entre medias, la corriente en el Colector es proporcional a la corriente en la Base (zona lineal).

Si te fijas en los dos primeros estados, los de corte y saturación… ¡eso es un interruptor! Un interruptor es un cable cuando está cerrado y es un salto cuando está abierto. La gracia es que este interruptor, en lugar de encenderlo y apagarlo tú con la mano, apretando un botón, se enciende y se apaga en función de la tensión que pongas en la entrada.

Pues ahora hacemos que la tensión de alimentación sea de 5V (Vcc=5V), y nos inventamos un par de símbolos lógicos matemáticos: el 0 y el 1. No le demos significado de momento a esos símbolos 0 y 1, ya lo haremos luego. Quedémonos de momento con que hacemos que “1″ son 5V, y “0″ son 0V. Así que tenemos una “cosa”, un “interruptor controlable”, que cuando le ponemos un 1 en la entrada, se cierra; y cuando le ponemos un 0, se abre. Eso se suele representar con el siguiente símbolo:

Como veis, no se han comido mucho la cabeza. La línea del lado corto es la señal de control, y las otras dos son las que se conectan o desconectan según la señal de control sea un 1 ó un 0.

Transistor-amplificador

Dedicaremos los siguientes artículos a ver cómo utilizar este transistor-conmutador, así que vamos a dejarlo de momento para dedicar unos párrafos al transistor visto como amplificador. Solo vamos a verlo cualitativamente, pero espero que te sirva para hacerte una idea de cómo funciona. Advierto de que vamos a verlo muy, muy por encima, porque no es el objeto de esta serie, pero si algún lector quiere hacer un artículo al respecto (o incluso una serie completa), será bienvenido.

Vamos a cambiar esa nebulosa en que había “Otras cosas” por una simple resistencia. Necesitaremos conocer la ley de Ohm para entender el resto del artículo, así que, si no la conoces, a lo mejor es buena idea que te pases por el artículo correspondiente de la serie de electricidad de El Tamiz. Solo a modo de resumen, recuerda que la ley decía que V=I·R. El voltaje es igual a la corriente por la resistencia.

Hemos quedado en que el transistor está en la zona lineal cuando la tensión en la entrada está más o menos en medio. Ni muy alta ni muy baja. Por ejemplo, si Vcc=5V, vamos a suponer que estamos en Vin=2,5V. Con esa tensión de entrada, tendremos que por la Base entrará una corriente determinada. Hemos dicho que esa corriente es muy pequeña, despreciable frente a Ic, pero vaya, es que aquí es justo la corriente que estamos midiendo. Bueno, vale, pues es pequeña, pero es la que sea. Imaginemos que es de 1uA (1 microamperio).

Advierto de que ahora vendrán unos poquitos valores numéricos. Son muy sencillos, pero es que creo que es más fácil de ver si pongo un ejemplo numérico que si hablo continuamente en abstracto.

Como estamos en zona lineal, sabemos que la corriente por el Colector es de:

Ic=beta·Ib=100uA (recuerda que habíamos dicho que una beta de 100 no era irrazonable)

Como conocemos la Ley de Ohm, sabemos que en la resistencia caen:

Vr=R·Ic=10k·100u=1V (hemos llamado Vr a la tensión que cae en R)

Por lo tanto, dado que en Vcc tenemos 5V, en Vo tenemos:

V0=Vcc-Vr=5-1=4V

¿Ya está? ¿Es esta la amplificación a la que nos referíamos? ¿Teníamos 2,5V de entrada y sacamos 4V? Pues no, no se refiere a eso.

La gracia es que si ahora incrementamos un pelín la tensión de entrada Vin, tendremos que la corriente Ib también se incrementará un pelín. Supongamos que la tensión de entrada sube 1uV y en consecuencia la corriente Ib sube hasta 1,1uA. Fijaos en qué poquito ha subido. ¿Cuáles serán ahora Ic y Vo? Ic será:

Ic=100·1,1uA=110uA

Y por lo tanto Vr será:

Vr=10k·110u=1,1V

Y por lo tanto en Vo tendremos:

Vo=5V-1,1V=3,9V

¡Demonios! En la entrada teníamos un pelín más de tensión (1uV) y en la salida tenemos bastante menos tensión (100uV menos). ¡Vaya porquería de amplificador! Cuando meto más en la entrada, en la salida consigo… ¡menos!

Un momento… ¿y si meto menos en la entrada? Imaginemos que en la entrada, en lugar de 1uV más, tengo 1uV menos. Entonces tendré menos corriente Ib también. Imaginemos que es Ib=0,9uA. Sabemos entonces cuál es la corriente por el Colector:

Ic=100·0,9uA=90uA

Entonces sabemos cuánta corriente cae en R:

Vr=10k·90u=0,9V

Y por lo tanto sabemos cuánto es Vo:

Vo=5-0,9=4,1V

¡Anda! ¡Qué curioso!^[2] Si bajo un poco la tensión de entrada, sube mucho la tensión de salida.

Fijaos: si subo un poco la entrada, baja un montón la salida. Si bajo un poco la entrada, sube un montón la salida. Olvidaos del sube-baja, y concentraos en el unpoco-mucho. ¡Sí que amplifica! Pero no amplifica exactamente la tensión de entrada, sino que “amplifica la diferencia”. Algo así como si tomáramos un valor base y todo lo que se desviara sobre ese valor base lo amplificara.

En efecto, eso es lo que ocurre. Ese “valor base” es lo que se denomina polarización, y únicamente sirve para asegurarnos de que estamos en la zona lineal del transistor. Ponemos por ejemplo una polarización en la Base de 2,5V. Y sobre esa polarización fija sumamos una señal que sea pequeñita. Bien, pues la polarización en la salida será también fija, pero la señal que se sume a la polarización de salida será mucho más grande, estará amplificada.

El hecho de que esté invertida no es importante. Ten en cuenta que la mayor parte de las señales que queremos amplificar serán señales de voz, modulaciones senoidales y cosas así. Son cosas que periódicamente van para arriba y para abajo a frecuencias altas, y en las que lo importante no es el valor en un momento dado, sino la amplitud de ese coseno, y eso es precisamente lo que nuestro transistor está amplificando: la amplitud. Por lo tanto, lo que decimos es simplemente que nuestro amplificador, además de amplificar la señal, la invierte, le da la vuelta. Por eso en muchos sitios veréis que este amplificador tiene una ganancia negativa. Lo de que sea negativa no quiere decir que sea mala, o que sea una pérdida; simplemente significa que además de amplificar la señal, la invierte. Si eso realmente era importante para nosotros (e insisto: la mayor parte de las veces no lo es) simplemente podemos volver a pasarla por otro amplificador inversor y listo.

Este que hemos visto no es ni mucho menos el único amplificador posible con un transistor, pero sí que es probablemente el más básico (tan básico que tal y como lo he contado ni siquiera funciona, es solamente un ejemplo supersimplificado).

En el próximo capítulo terminaremos con el transistor, estudiando dos temas que nos hemos dejado a medias: la polarización inversa y el transistor PNP.

 

1. Supongo que te queda claro que Vin es Voltaje in, del inglés input, entrada. Ib es I en la Base, corriente en la Base; y por lo tanto Ic es corriente en el Colector. [↩]
2. Isaac Asimov decía que la frase que más hace avanzar la ciencia no es “¡Eureka!” sino “Uhm… qué curioso…”. [↩]