Componentes Electrónicos · Tema 20

BJT como llave

Cerrar a fondo con cálculo: Rb con beta forzada, cargas reales y Vce que confirma saturación.

01 · Punto de partida

De “anda” a “satura garantizado”

Cualquier Rb chica “enciende” un LED con transistor, pero ¿satura con pila baja, con calor y con el peor β del lote? La llave profesional se sobredimensiona en base (beta forzada 10–20 en vez de 100) para que cierre a fondo en todos los casos. Tres cuentas y un E12 hacia abajo.

Este tema dimensiona llaves para LED, relés y motores chicos, con medición que confirma.

  • ¿Cómo calculo Rb para saturar seguro?
  • ¿Hacia dónde redondeo en E12?
  • ¿Cuánto disipa el transistor cerrado?
  • ¿Cómo confirmo con multímetro?

02 · Diseño

Tres cuentas y un redondeo

  1. 1
    Ic necesaria.

    La de la carga: LED 15 mA, relé 71 mA, tira 100 mA (verificar contra Ic max de hoja).

  2. 2
    Ib con β forzada 10–20.

    Ib = Ic/20 (cargas chicas) o /10 (seguridad extra). Para 15 mA: 0,75 mA.

  3. 3
    Rb hacia abajo.

    Rb = (Vb − 0,7)/Ib → E12 menor o igual (más base, más seguro). 5,7k → 5,6k (o 4,7k con margen).

Tres llaves diseñadas (Vb 5 V, β forzada 20).
CargaIcRb calc.Rb E12 ↓Vce / P_Q
LED 15 mA15 mA5,7 kΩ5,6 kΩ0,2 V / 3 mW
Relé 71 mA71 mA1,21 kΩ1,2 kΩ0,2 V / 14 mW
Tira 100 mA100 mA860 Ω820 Ω0,2 V / 20 mW

Las tres frías (mW contra 500–625 mW del TO-92): la llave bien diseñada no calienta.

03 · Cargas reales

LED, relé y motorcito con sus cuidados

LED / tira (resistiva)
R serie propia dimensionada (Temas 6/17, curso 3). El transistor solo cierra a GND (low-side). Medir Vce y brillo.
Relé (inductiva)
Diodo en antiparalelo obligatorio (Tema 14) + Rb calculada. Sin diodo, el pico mata al transistor al soltar.
Motor DC chico
Como relé (inductivo + diodo) más consumo: verificar Ic max y P con margen; picos de arranque ×3–5 (Tema 31, curso 3).
Micro que manda (preview)
Pin ≤ 20 mA: Ib de 3,6 mA (relé) OK directo; Ib de 15 mA (motor 300 mA) al límite: mejor MOSFET o Darlington (Temas 22–24).

04 · Medición

Vce dice la verdad

  1. 1
    Vce con carga.

    0,1–0,3 V = saturada (llave cerrada). Más de 1 V = en activa o base floja: bajar Rb.

  2. 2
    Vb en base.

    ≈ 0,7 V respecto del emisor confirma mando presente. 0 V = no llega orden; 5 V directos sin Rb = peligro.

  3. 3
    Ic inferida.

    V_Rc/Rc o medición de rama: debe dar la diseñada (±10 %). Menos = no satura o carga distinta.

Vce 0,2 V→Vb 0,7 V→Ic diseñada=llave sana

05 · Diseñador de llaves

Rb, potencias y veredicto

Entra carga y mando: sale Rb E12 hacia abajo con veredicto térmico:

Python en tu navegador. Diseñá tus tres llaves y ejecutá.

E12 = [10, 12, 15, 18, 22, 27, 33, 39, 47, 56, 68, 82]

def e12_abajo(r):
    cands = [b * d for d in (1, 10, 100, 1000, 10000) for b in E12 if b * d <= r]
    return max(cands)


def llave(ic_ma, vb=5.0, beta_f=20, vce=0.2, pmax_mW=500):
    ib = ic_ma / beta_f
    rb = e12_abajo((vb - 0.7) / (ib / 1000))
    i_real = (vb - 0.7) / rb * 1000
    p = vce * ic_ma
    print(f"Ic={ic_ma}mA Ib dis={ib:.2f}mA -> Rb={rb:.0f} (Ib real {i_real:.2f}mA)")
    print(f"P_Q={p:.0f}mW ({p/pmax_mW*100:.0f}% de {pmax_mW}mW) ->",
          "FRÍA" if p < pmax_mW / 2 else "revisar disipación")
    return rb


llave(15)
llave(71)
llave(100)

Probá llave(300): ¿Rb? ¿P? ¿La puede mandar un pin de 20 mA?

Barrer beta forzada

Qué cambia diseñar con β 10 frente a 20 (relé 71 mA):

def comparar_beta(ic_ma, vb=5.0):
    for bf in [10, 20, 50]:
        ib = ic_ma / bf
        print(f"beta {bf}: Ib={ib:.2f}mA -> Rb~{(vb-0.7)/(ib/1000):.0f} (E12 hacia abajo)")


comparar_beta(71)

06 · Analogía programador

Interruptor con sobredimensión

  1. 1
    Beta forzada = overprovision.

    Dar 5–10× la base mínima es como provisionar de más: garantiza el cierre en el peor caso.

  2. 2
    E12 hacia abajo = floor.

    Redondear a favor de la seguridad (más Ib), nunca a favor del ahorro.

  3. 3
    Vce = health check.

    0,2 V dice “cerrado”; 2 V dice “a medias”. Monitoreo de una lectura.

07 · Exploración

Laboratorio: diseñar la llave

Elegí la carga: el laboratorio calcula Rb E12, Ib real, potencia y dictamina, con aviso si el pin no alcanza.

LABORATORIO 20

Carga → Rb

Rb = (5−0,7)/Ib

Rb E12 ↓5,6 kΩ
Ib real0,77 mA
P_Q3 mW: fría
Pin 20 mASobra: directo OK

LED 15 mA: Rb 5,6 kΩ, transistor frío.

Preguntas para explorar

  1. ¿Qué Rb da el motor 300 mA? ¿Lo manda un pin directo?
  2. ¿Por qué redondear hacia abajo y no al más cercano?
  3. ¿Qué medirías primero si Vce da 2 V?
Ver respuestas sugeridas
  1. Rb ≈ 270 Ω, Ib ≈ 16 mA: al límite del pin (20 mA). Mejor MOSFET o Darlington (Temas 22–24).
  2. Porque más Ib garantiza saturación con β mínimo, calor y pila baja. Al cercano podría quedar en activa.
  3. Vb (¿llega orden?) y después Rb (¿valor correcto?). Vce alto con Vb bien = base floja: bajar Rb.

08 · Comprensión

Confusiones frecuentes

«Rb exacta calculada es mejor»

La exacta rara vez es E12 y el β real varía: hacia abajo con β/20 absorbe todo. Exactitud ilusoria vs. robustez real.

«Con β 100 alcanza»

Alcanza en el típico, falla en el peor (β mínimo, calor, pila baja). Llave se diseña con β forzada 10–20, punto.

«Vce = 0, así que P = 0»

Vce ≈ 0,2 V, no 0: a 500 mA son 100 mW que calientan un TO-92 chico. Despreciable en LED, visible en potencia.

«Base al pin sin R para más fuerza»

Fuerza que quema pin y transistor: la BE fija 0,7 V y la corriente la pone el pin hasta morir. Rb siempre, sin excepciones.

09 · Práctica guiada

Ejercicios de llaves

Ejercicio 1: tres diseños

Con llave(): 15, 71 y 100 mA a 5 V. Anotá Rb, Ib real y P_Q de cada una. ¿Todas frías en TO-92 500 mW?

Ver solución razonada

5,6k/0,77 mA/3 mW; 1,2k/3,6 mA/14 mW; 820 Ω/5,2 mA/20 mW. Todas < 5 % del nominal: frías. La llave bien diseñada no se nota al tacto.

Ejercicio 2: medir saturación

Montá LED + 2N2222 + Rb 4,7k a 9 V/5 V mando. Medí Vce con carga. ¿0,2 V? ¿Qué pasa si subís Rb a 47k?

Ver solución

Con 4,7k: Ib ≈ 0,9 mA ≫ 0,15 necesarios → satura (0,2 V). Con 47k: Ib ≈ 0,09 mA < 0,75 → activa (Vce de voltios, LED tenue). El laboratorio lo predijo.

Ejercicio 3: límite del pin

Motor 300 mA con mando de pin 20 mA máx. ¿Ib necesaria? ¿Directo o driver? Justificá con números y alternativa.

Ver solución

Ib = 15 mA (β 20): técnicamente entra en 20 mA pero sin margen. Mejor MOSFET (gate casi sin corriente) o Darlington: el pin agradece.

10 · Síntesis

Ideas para recordar

  • Ib = Ic/β_forzada (10–20); Rb = (Vb−0,7)/Ib hacia abajo.
  • Vce 0,1–0,3 V confirma; P_Q = Vce×Ic con margen.
  • Rb siempre entre mando y base; cargas inductivas con diodo.
  • Pin ≤ 20 mA: Ib grandes piden MOSFET/Darlington.
  • llave() diseña y dictamina cada conmutación.

Llaves que cierran garantizado. Ahora, el otro modo: en el próximo tema, BJT como amplificador (idea).