Cálculos con Transistores Bipolares

--== TABLA DE CONTENIDO ==--

Conceptos Previos

Tipos de Transistores Bipolares (BJT)

Diferencias clave entre transistores PNP y NPN

Aplicaciones de los transistores NPN y PNP

Formas de conexión

1. Emisor Común (EC)

2. Colector Común (CC)

3. Base Común (BC)

Comparación Características

Métodos de Cálculo

1. Cálculo para Corte/Saturación (Circuito Digital - Interruptor)

2. Cálculo para Ganancia dada (Circuito Amplificador - Operación Lineal - Modo Activo)

📌 Formas de Calcular las Resistencias:

📌 Ejemplo del Método Simplificado

Ejemplo 1: Cálculo para Corte y Saturación (Modo Interruptor)

📌 1. Resistencia de colector (RCR_C)

📌 2. Resistencia de base (RBR_B)

Ejemplo 2: Cálculo para una Ganancia Dada (Modo Amplificador)

📌 1. Resistencia de colector (RCR_C)

📌 2. Resistencia de emisor (RER_E)

📌 3. Resistencia de base (RBR_B)

📌 Método del Divisor de Voltaje para Calcular las Resistencias de un Transistor en Emisor Común

🔹 Concepto del Divisor de Voltaje

🔹 Aplicación en un Transistor NPN en Emisor Común

📌 Paso 1: Determinar VEV_E

📌 Paso 2: Calcular VBV_B

📌 Paso 3: Elegir la corriente del divisor

📌 Paso 4: Calcular R1+R2R_1 + R_2

📌 Paso 5: Calcular R2R_2

📌 Paso 6: Calcular R1R_1

🔹 Resumen de los Valores Calculados

📌 Método de Análisis AC / DC separado

🔹 ¿Por qué se usa este método?

🔹 Pasos para aplicar el método

🔹 Ejemplo paso a paso

1️⃣ Análisis DC

Ecuaciones de polarización

2️⃣ Análisis AC

🔹 Resumen

📌 Usando los Teoremas de Thevenin y Norton

1️⃣ Aplicación del Teorema de Thevenin

📌 Paso 1: Calcular VTHV_{TH} (Tensión de Thevenin)

📌 Paso 2: Calcular RTHR_{TH} (Resistencia de Thevenin)

📌 Paso 3: Circuito equivalente de Thevenin

2️⃣ Aplicación del Teorema de Norton

Ejemplo con valores numéricos

1️⃣ Cálculo de VTHV_{TH} y RTHR_{TH}

2️⃣ Cálculo de IBI_B, ICI_C, IEI_E

📌 Conclusiones

📌Análisis mediante simulación

Pasos del análisis mediante simulación

Ejemplo práctico

Ventajas del análisis mediante simulación

Resistencia de Emisor Re

🔹 1. Método Clásico de Estabilización por Realimentación

🔹 2. Cálculo con Coeficiente de Estabilidad S

🔹 3. Método con Thevenin para Mayor Precisión

🔹 4. Uso de un Diodo para Compensación Térmica

📌 Conclusión

Referencias

Muchas veces se presta confusión al momento de calcular las resistencias de polarización de un simple transistor bipolar, dando un formuleo mágico sin entender las opciones de calculo que hay y para que son.

Disclaimer: Este post no aborda el concepto de que es un transistor, o como se distribuyen sus electrones dentro. Se encuentra orientado al calculo y modos de operación/conexión

Conceptos Previos

Tipos de Transistores Bipolares (BJT)

Existen dos tipos: PNP y NPN

Su principal diferencia radica en la polaridad de sus materiales semiconductores y en cómo se comportan en un circuito.

Diferencias clave entre transistores PNP y NPN

Característica	NPN	PNP
Material de la unión	N (emisor) - P (base) - N (colector)	P (emisor) - N (base) - P (colector)
Dirección de la corriente de emisor	Sale del emisor hacia la base	Entra al emisor desde la base
Tensión de polarización	Base positiva ➕ respecto al Emisor	Base negativa ➖ respecto al Emisor
Activación	Se activa con corriente de base positiva ➕	Se activa con corriente de base negativa ➖
Uso común	Circuitos digitales, amplificadores, conmutación	Control de corriente en aplicaciones de potencia

Aplicaciones de los transistores NPN y PNP

NPN:

• Es el más utilizado en circuitos electrónicos.
• Se usa en amplificadores de señal, conmutación y control de motores.
• Aplicaciones en circuitos lógicos y microcontroladores.

PNP:

• Se usa en configuraciones complementarias con transistores NPN (ej: amplificadores push-pull).
• Control de motores en circuitos de corriente continua.
• Diseño de fuentes de alimentación lineales y circuitos de protección.

Formas de conexión

La diferencia entre estas configuraciones radica en cómo se conectan las terminales del transistor en el circuito y las propiedades de amplificación, impedancia y fase que ofrecen.

1. Emisor Común (EC)

Aplicaciones:

• Amplificadores de señal, etapas de amplificación en circuitos de audio, amplificadores de radiofrecuencia.

Ejemplo de aplicación:

• Amplificadores de audio: Se usa para amplificar señales de pequeña amplitud, como las señales de entrada de un micrófono.

2. Colector Común (CC)

Aplicaciones:

• Seguidor de emisor: Se utiliza principalmente para aplicaciones en las que se necesita un buffer de impedancia o cuando se necesita adaptar una señal de alta impedancia a una de baja impedancia sin amplificar la señal.

Ejemplo de aplicación:

• Adaptadores de impedancia: Se utiliza para acoplar diferentes etapas de circuitos donde se necesita transferir señal sin amplificación, solo con adaptación de impedancia.

3. Base Común (BC)

Aplicaciones:

• Amplificadores de frecuencia alta: Utilizada en amplificadores de RF (radiofrecuencia) y en aplicaciones de alta frecuencia donde la impedancia de entrada debe ser baja.

Ejemplo de aplicación:

• Amplificación de señales de alta frecuencia: Se utiliza en circuitos de radiofrecuencia, como amplificadores de señal en transmisores y receptores de radio.

Comparación Características

Configuración	Fase	Ganancia de Voltaje	Ganancia de Corriente	Impedancia de Entrada	Impedancia de Salida
Emisor Común	Invertida (180°)	Alta	Alta	Moderada	Alta
Colector Común	No invertida	≈ 1	Alta	Alta	Baja
Base Común	No invertida	Alta	Baja	Muy baja	Alta

Métodos de Cálculo

Se plantea los cálculos para un transistor NPN y en conexión Emisor Común (EC) para ambas formas de trabajo (activo y corte/saturación)

En los cálculos para modo activo (amplificador), para el punto Q (equilibrio) se utiliza por lo general Vce ≈ Vcc/2 a fin prático.

Zonas de trabajo de un transistor

1. Cálculo para Corte/Saturación (Circuito Digital - Interruptor)

• Aquí, el transistor se utiliza como un interruptor. Los cálculos están dirigidos a asegurar que el transistor esté completamente en corte (apagado) o en saturación (encendido).

• Resistencia de Base (Rb):

  • Para saturación, se asegura que el transistor tenga suficiente corriente base ($I_B$) para garantizar que $I_C$ (corriente de colector) esté completamente encendida.

  • Fórmula:

    $$R_B = \frac{V_{IN} - V_{BE}}{I_B}$$

  • Relación de corriente base-colector:

    $$I_B = \frac{I_C}{\beta_{sat}}$$

  • Dado que se necesita saturar, se usa un $\beta_{sat}$ mucho menor que el $\beta$ típico del transistor (generalmente entre 5 y 10).

• Resistencia de Colector (Rc):

  • Se elige para establecer la caída de tensión deseada en $V_{CE}$ (cuando está en saturación, $V_{CE(sat)}$ es muy bajo, típico 0.2V).

  • Fórmula:

    $$R_C = \frac{V_{CC} - V_{CE(sat)}}{I_C}$$

2. Cálculo para Ganancia dada (Circuito Amplificador - Operación Lineal - Modo Activo)

• Aquí, el transistor se utiliza como amplificador, operando en la región activa (ni corte ni saturación).

• Polarización de Base (Resistencias $R_1$ y $R_2$ - Divisor de Voltaje):

  • Se utiliza para establecer un punto de operación estable (Q-point).

  • Fórmulas aproximadas (considerando $I_B$ pequeño):

    $$V_B = V_{CC} \frac{R_2}{R_1 + R_2}$$ $$I_B = \frac{V_B - V_{BE}}{R_B}$$

• Resistencia de Emisor (Re):

  • Ver la sección de "Resistencia de Emisor (Re)" para otras alternativas de cálculo

  • Sirve para estabilizar la ganancia y mejorar la linealidad frente a los efectos del aumento de temperatura

  • Fórmula para calcularla con una ganancia dada $A_v$:

    $$A_v\approx \frac{R_C}{R_E}$$

  • Se puede ajustar para obtener la ganancia deseada y controlar la polarización.

  • Cómo funciona

• El efecto térmico, tanto del auto-calentamiento como de la temperatura externa, sobre las características I/V del transistor se traduce en una disminución del nivel de estas características cuando se aumenta la temperatura. 
• Cuando la temperatura del transistor aumenta, la corriente de base aumenta, lo que a su vez provoca un aumento de la corriente de colector. 

• Resistencia de Colector (Rc):

  • Determina la ganancia de voltaje junto con $R_E$.

  • Se selecciona para proporcionar la caída de tensión adecuada al colector.

  • Fórmula:

    $$R_C = \frac{V_{CC} - V_{CE} - I_E R_E}{I_C}$$

📌 Formas de Calcular las Resistencias:

1. Método Simplificado: Considerar sólo la polarización básica y la ganancia sin compensaciones térmicas.

2. Método del Divisor de Voltaje: Añadir divisor de voltaje en la base para polarización estable.

3. Análisis AC/DC Separado: Para amplificadores, se calculan las resistencias considerando las señales AC (ganancia) y DC (polarización) por separado.

4. Uso de Teoremas de Thevenin/Norton: Para simplificar el análisis en circuitos complejos.

5. Análisis mediante simulación: Software como SPICE permite calcular resistencias óptimas considerando parámetros reales del transistor.

📌 Ejemplo del Método Simplificado

Ejemplo 1: Cálculo para Corte y Saturación (Modo Interruptor)

🔹 Especificaciones del circuito

• Transistor: BC547

• Tensión de alimentación: $V_{CC} = 12V$

• Carga en colector: $R_C = 1k\Omega$

• Corriente de carga esperada: $I_C = 10mA$

• Ganancia del transistor: $\beta \approx 100$ (pero para saturación usamos $\beta_{sat} = 10$)

• Tensión de saturación del colector: $V_{CE(sat)} \approx 0.2V$

• Tensión de base-emisor: $V_{BE} \approx 0.7V$

• Tensión de entrada en la base: $V_{IN} = 5V$ (Ejemplo de microcontrolador)

🔹 Cálculo de las resistencias

📌 1. Resistencia de colector ($R_C$)

Sabemos que:

$$I_C = \frac{V_{CC} - V_{CE(sat)}}{R_C}$$

Reemplazamos valores:

$$1k\Omega = \frac{12V - 0.2V}{10mA}$$

✅ Ya teníamos $R_C = 1k\Omega$, lo confirmamos.

📌 2. Resistencia de base ($R_B$)

Para saturación, aplicamos la fórmula:

$$I_B = \frac{I_C}{\beta_{sat}}$$ $$I_B = \frac{10mA}{10} = 1mA$$

Ahora, calculamos $R_B$:

$$R_B = \frac{V_{IN} - V_{BE}}{I_B}$$ $$R_B = \frac{5V - 0.7V}{1mA} = \frac{4.3V}{1mA} = 4.3k\Omega$$

➡ Usamos un valor comercial cercano: $R_B = 4.7k\Omega$.

🔹 Resumen de valores para Modo Interruptor

• $R_C = 1k\Omega$

• $R_B=\mathrm{4,7}k\mathrm{\Omega }$

Ejemplo 2: Cálculo para una Ganancia Dada (Modo Amplificador)

Ahora calculamos las resistencias para usar el transistor como amplificador con una ganancia de voltaje $A_v = 10$.

🔹 Especificaciones del circuito

• $V_{CC} = 12V$

• Ganancia de voltaje deseada: $A_v = 10$

• Corriente de colector esperada: $I_C = 5mA$

• Tensión de polarización en el colector: $V_{CE} = 6V$ (Para máxima excursión de señal, Vcc/2)

• Tensión de base-emisor: $V_{BE} = 0.7V$

🔹 Cálculo de las resistencias

📌 1. Resistencia de colector ($R_C$)

La caída de voltaje en $R_C$ será:

$$V_C = V_{CC} - V_{CE} = 12V - 6V = 6V$$ $$R_C = \frac{V_C}{I_C} = \frac{6V}{5mA} = 1.2k\Omega$$

➡ Usamos $R_C = 1.2k\Omega$ (valor comercial cercano$1.2k\Omega$)

📌 2. Resistencia de emisor ($R_E$)

Para una ganancia dada:

$$A_v = \frac{R_C}{R_E}$$ $$R_E = \frac{R_C}{A_v} = \frac{1.2k\Omega}{10} = 120\Omega$$

➡ Usamos $R_E = 120\Omega$ (valor comercial exacto).

📌 3. Resistencia de base ($R_B$)

Se usa un divisor de voltaje para que la base tenga la tensión adecuada:

$$V_B = V_E + V_{BE}$$

Corriente de emisor:

$$I_E \approx I_C = 5mA$$

Tensión en $R_E$:

$$V_E = I_E R_E = (5mA)(120\Omega) = 0.6V$$

Tensión en la base:

$$V_B = V_E + V_{BE} = 0.6V + 0.7V = 1.3V$$

Para estabilidad, elegimos una corriente del divisor de al menos 10 veces la corriente de base:

$$I_B = \frac{I_C}{\beta} = \frac{5mA}{100} = 50\mu A$$

Corriente del divisor:

$$I_{R1R2} \approx 10I_B = 500\mu A$$

Resistencia total del divisor:

$$R_{eq} = \frac{V_{CC}}{I_{R1R2}} = \frac{12V}{500\mu A} = 24k\Omega$$

Distribución de $R_1$ y $R_2$:

$$R_2 = \frac{V_B}{V_{CC}} R_{eq} = \frac{1.3V}{12V} \times 24k\Omega = 2.6k\Omega$$ $$R_1 = R_{eq} - R_2 = 24k\Omega - 2.6k\Omega = 21.4k\Omega$$

➡ Usamos valores comerciales cercanos: $R_1 = 22k\Omega$ y $R_2 = 2.7k\Omega$.

🔹 Resumen de valores para Modo Amplificador

• $R_C = 1.2k\Omega$

• $R_E = 120\Omega$

• $R_1 = 22k\Omega$

• $R_2 = 2.7k\Omega$

📌 Método del Divisor de Voltaje para Calcular las Resistencias de un Transistor en Emisor Común

El método del divisor de voltaje se usa para calcular las resistencias de polarización de un transistor en configuración de emisor común, asegurando que opere en la región activa y tenga estabilidad térmica.

🔹 Concepto del Divisor de Voltaje

Un divisor de voltaje se basa en dos resistencias en serie conectadas entre $V_{CC}$ y tierra, generando un voltaje intermedio en la unión de ambas:

$$V_B = V_{CC} \times \frac{R_2}{R_1 + R_2}$$

Donde:

• $V_B$ = Voltaje de la base del transistor

• $R_1$ = Resistencia superior del divisor (conectada a $V_{CC}$)

• $R_2$ = Resistencia inferior del divisor (conectada a tierra)

🔹 Aplicación en un Transistor NPN en Emisor Común

Para que el transistor opere correctamente, el voltaje de base $V_B$ debe ser suficiente para establecer la corriente de colector deseada.
El voltaje de base se define como:

$$V_B = V_E + V_{BE}$$

Donde:

• $V_E = I_E R_E$ (voltaje en la resistencia de emisor)

• $V_{BE} \approx 0.7V$ (para un transistor de silicio)

📌 Paso 1: Determinar $V_E$

Si queremos una corriente de colector de 5mA y tenemos una resistencia de emisor de 120Ω:

$$V_E = I_E R_E = (5mA)(120Ω) = 0.6V$$

📌 Paso 2: Calcular $V_B$

$$V_B = V_E + V_{BE} = 0.6V + 0.7V = 1.3V$$

📌 Paso 3: Elegir la corriente del divisor

Para estabilidad térmica, la corriente que fluye por $R_1$ y $R_2$ debe ser al menos 10 veces la corriente de base ($I_B$):

$$I_B = \frac{I_C}{\beta} = \frac{5mA}{100} = 50\mu A$$

Corriente del divisor:

$$I_{R1R2} = 10 \times I_B = 500\mu A$$

📌 Paso 4: Calcular $R_1 + R_2$

La resistencia total del divisor es:

$$R_{eq} = \frac{V_{CC}}{I_{R1R2}} = \frac{12V}{500\mu A} = 24kΩ$$

📌 Paso 5: Calcular $R_2$

$$R_2 = R_{eq} \times \frac{V_B}{V_{CC}} = 24kΩ \times \frac{1.3V}{12V} = 2.6kΩ$$

➡ Valor comercial más cercano: $R_2 = 2.7kΩ$.

📌 Paso 6: Calcular $R_1$

$$R_1 = R_{eq} - R_2 = 24kΩ - 2.6kΩ = 21.4kΩ$$

➡ Valor comercial más cercano: $R_1 = 22kΩ$.

🔹 Resumen de los Valores Calculados

• $R_1 = 22kΩ$

• $R_2 = 2.7kΩ$

• $R_C = 1.2kΩ$

• $R_E = 120Ω$

📌 Método de Análisis AC / DC separado

Es una técnica utilizada para diseñar amplificadores con transistores, separando la parte de corriente continua (DC) que define el punto de operación (polarización) de la parte de corriente alterna (AC) que amplifica la señal.

🔹 ¿Por qué se usa este método?

• El análisis DC se usa para establecer el punto de operación (Q), asegurando que el transistor trabaje en la región activa.

• El análisis AC se usa para estudiar la amplificación de la señal sin la influencia de la polarización.

Al separarlos, se facilita el diseño porque permite dimensionar las resistencias de polarización independientemente de las características de amplificación.

🔹 Pasos para aplicar el método

1️⃣ Análisis DC (Corriente Continua)

• Se eliminan los condensadores de acople y desacople, ya que actúan como circuitos abiertos en DC.

• Se trabaja con la polarización del transistor, calculando las resistencias de base ($R_1, R_2$), colector ($R_C$) y emisor ($R_E$).

• Se obtiene la corriente de base ($I_B$), corriente de colector ($I_C$) y la tensión en cada nodo ($V_B, V_C, V_E$) usando las ecuaciones de polarización.

2️⃣ Análisis AC (Corriente Alterna)

• Se reemplaza la fuente de alimentación DC por tierra (cortocircuito).

• Se sustituyen los condensadores de acoplo y desacoplo por cortocircuitos, ya que en AC bloquean DC pero permiten el paso de la señal.

• Se obtiene el modelo de pequeña señal del transistor, considerando la impedancia de entrada, la ganancia de voltaje y la impedancia de salida.

🔹 Ejemplo paso a paso

1️⃣ Análisis DC

Dado el siguiente circuito:

Ejemplo de Amplificador en EC

Ecuaciones de polarización

• Tensión en la base:

  $$V_B = V_{CC} \frac{R_2}{R_1 + R_2}$$

• Tensión en el emisor:

  $$V_E = V_B - V_{BE}$$

• Corriente de emisor:

  $$I_E = \frac{V_E}{R_E}$$

• Corriente de colector (aproximadamente):

  $$I_C \approx I_E$$

• Tensión en el colector:

  $$V_C = V_{CC} - I_C R_C$$

Aquí se eligen $R_1$, $R_2$, $R_C$ y $R_E$ para que el punto $Q$ esté en la región activa.

2️⃣ Análisis AC

• Se elimina la fuente DC ($V_{CC}$ → Tierra).

• Se reemplazan los condensadores de acoplo y desacoplo por cortocircuitos.

• Se analiza la ganancia de voltaje usando el modelo de pequeña señal:

  $$A_v = -\frac{R_C}{R_E \parallel r_e}$$

  donde $r_e \approx \frac{25mV}{I_E}$ es la resistencia interna del transistor en pequeña señal.

🔹 Resumen

✔ El análisis DC define el punto de operación $Q$ y asegura que el transistor esté en la zona activa.
✔ El análisis AC permite determinar la ganancia de voltaje, impedancia de entrada y salida, y la respuesta en frecuencia.
✔ Separar ambos análisis simplifica el diseño, permitiendo ajustar la polarización sin afectar la amplificación de la señal.

📌 Usando los Teoremas de Thevenin y Norton

Facilita el diseño de circuitos de polarización de transistores en amplificadores, permitiendo simplificar la red de resistencias de base en una fuente equivalente.

1️⃣ Aplicación del Teorema de Thevenin

El Teorema de Thevenin establece que cualquier red de resistencias conectada a la base del transistor puede reemplazarse por una fuente de tensión equivalente $V_{TH}$ en serie con una resistencia $R_{TH}$.

🔹 Circuito original:

• Red de resistencias de polarización en la base: $R_1$ y $R_2$, que forman un divisor de tensión.

• Objetivo: Reemplazar estas resistencias por su equivalente de Thevenin.

📌 Paso 1: Calcular $V_{TH}$ (Tensión de Thevenin)

La tensión equivalente en la base del transistor es el divisor de tensión:

$$V_{TH} = V_{CC} \frac{R_2}{R_1 + R_2}$$

🔹 Explicación:

• El divisor de tensión determina el voltaje en la base cuando no hay corriente de base.

• Se asume que $I_B$ es despreciable al calcular $V_{TH}$.

📌 Paso 2: Calcular $R_{TH}$ (Resistencia de Thevenin)

La resistencia equivalente de la red de polarización de base es:

$$R_{TH} = R_1 \parallel R_2 = \frac{R_1 R_2}{R_1 + R_2}$$

🔹 Explicación:

• Se trata de la resistencia vista desde la base, apagando la fuente $V_{CC}$.

• Se obtiene como la resistencia en paralelo de $R_1$ y $R_2$.

📌 Paso 3: Circuito equivalente de Thevenin

El circuito original se transforma en un circuito equivalente donde la base del transistor está conectada a $V_{TH}$ en serie con $R_{TH}$.

Así, la ecuación de la malla de polarización es:

$$V_{TH} = I_B R_{TH} + V_{BE} + I_E R_E$$

Donde:

• $I_B = \frac{I_C}{\beta}$ (Corriente de base)

• $I_E = (1 + \beta) I_B$

🔹 Se despeja $R_E$ y $R_C$ para cumplir con el punto de operación deseado.

2️⃣ Aplicación del Teorema de Norton

El Teorema de Norton es útil para modelar la impedancia de entrada del circuito en términos de una corriente equivalente $I_N$ y una resistencia $R_N$.

Para el circuito de base, Norton es una forma alternativa de expresar Thevenin, donde:

$$I_N = \frac{V_{CC}}{R_1 + R_2}$$ $$R_N = R_1 \parallel R_2$$

Esto permite visualizar el circuito en términos de corrientes en lugar de voltajes.

Ejemplo con valores numéricos

Supongamos:

• $V_{CC} = 12V$

• $R_1 = 100k\Omega$, $R_2 = 20k\Omega$

• $R_E = 1k\Omega$, $R_C = 4.7k\Omega$

• $\beta = 100$, $V_{BE} = 0.7V$

1️⃣ Cálculo de $V_{TH}$ y $R_{TH}$

$$V_{TH} = 12V \times \frac{20k}{100k + 20k} = 2V$$ $$R_{TH} = \frac{100k \times 20k}{100k + 20k} = 16.67k\Omega$$

2️⃣ Cálculo de $I_B$, $I_C$, $I_E$

$$I_B = \frac{V_{TH} - V_{BE}}{R_{TH} + (\beta + 1) R_E}$$ $$I_B = \frac{2V - 0.7V}{16.67k + (101 \times 1k)}$$ $$I_B = \frac{1.3V}{16.67k + 101k} = \frac{1.3V}{117.67k} = 11\mu A$$ $$I_C = \beta I_B = 100 \times 11\mu A = 1.1mA$$ $$V_C = V_{CC} - I_C R_C = 12V - (1.1mA \times 4.7k) = 6.83V$$

🔹 Se verifica que $Q$ está en la región activa ( $V_C > V_E$ ).

📌 Conclusiones

✔ El Teorema de Thevenin simplifica el diseño, transformando la red de resistencias de base en una fuente de tensión con una resistencia en serie.
✔ El Teorema de Norton es útil para ver la impedancia de entrada, aunque en polarización de transistores es más común usar Thevenin.
✔ Se pueden ajustar los valores de $R_1, R_2, R_C, R_E$ para obtener el punto de operación deseado sin cambiar la respuesta en AC.

📌Análisis mediante simulación

Este método utiliza herramientas de simulación como LTspice, Multisim, Proteus o PSPICE para determinar los valores óptimos de las resistencias en un circuito con un transistor en configuración de emisor común. Se sigue un proceso iterativo hasta obtener los valores deseados de polarización, ganancia y estabilidad térmica.

Pasos del análisis mediante simulación

1. Diseño preliminar del circuito:

   • Se elige un transistor adecuado (ej. 2N3904 para NPN o 2N2222).

   • Se establecen valores iniciales de resistencias basados en estimaciones con métodos teóricos como divisor de voltaje o Thevenin.

   • Se determina una tensión de alimentación, por ejemplo Vcc = 12V.

2. Implementación en el software de simulación:

   • Se dibuja el circuito en LTspice, Proteus o Multisim.

   • Se definen los parámetros de simulación:

     • Análisis DC: Para verificar el punto de polarización (Ib, Ic, Vbe, Vce).

     • Análisis AC: Para analizar la respuesta en frecuencia y la ganancia.

     • Análisis transitorio: Para evaluar la respuesta a señales de entrada.

3. Ajuste iterativo de resistencias:

   • Se ajustan $R_B1$ y $R_B2$ para lograr el punto de polarización correcto ($V_{CE} \approx V_{CC}/2$).

   • Se modifica $R_C$ para establecer la ganancia de voltaje deseada.

   • Se optimiza $R_E$ para mejorar la estabilidad térmica y reducir la distorsión.

4. Validación de resultados:

   • Se verifica que los valores de corrientes y tensiones sean correctos.

   • Se mide la ganancia de voltaje y la respuesta en frecuencia.

   • Se analiza la distorsión y estabilidad térmica.

5. Ajustes finales y optimización:

   • Si el circuito no cumple con los requisitos, se modifican los valores y se repite la simulación.

   • Se puede realizar una simulación de análisis Monte Carlo para evaluar la tolerancia a variaciones de componentes.

Ejemplo práctico

Si queremos diseñar un amplificador con Vcc = 12V y una ganancia de 10:

1. Elegimos un transistor 2N3904 y valores iniciales:

   • $R_B1 = 47k\Omega$

   • $R_B2 = 10k\Omega$

   • $R_C = 1k\Omega$

   • $R_E = 100\Omega$

2. Se simula en LTspice:

   • $V_{CE}$ debería ser aproximadamente 6V para máxima excursión.

   • Se ajusta $R_B1$ y $R_B2$ si la polarización no es correcta.

   • Se revisa la respuesta de frecuencia y se ajustan valores si es necesario.

3. Se optimiza hasta obtener la ganancia deseada y estabilidad térmica.

Ventajas del análisis mediante simulación

✔ Permite optimizar el diseño sin necesidad de construir físicamente el circuito.
✔ Se pueden evaluar diferentes condiciones de operación sin riesgos.
✔ Ahorra tiempo y dinero en la selección de componentes.

Resistencia de Emisor Re

Para garantizar el equilibrio térmico en la resistencia de emisor ($R_E$), se deben considerar estrategias que estabilicen la corriente de polarización y minimicen el efecto de variaciones de temperatura en el transistor. 

🔹 1. Método Clásico de Estabilización por Realimentación

👉 Objetivo: Minimizar la variación de corriente de colector ($I_C$) debido a cambios en la temperatura del transistor.

🔹 Se utiliza una resistencia de emisor $R_E$ para generar un voltaje de realimentación negativa, lo que estabiliza $I_C$.
🔹 Para una buena estabilización térmica, el voltaje en $R_E$ debe ser al menos el 10% de $V_{CC}$.
🔹 Se estima $R_E$ como:

$$R_E = \frac{V_E}{I_E}$$

donde:

• $V_E$ se elige entre 1V y 2V para buena estabilidad térmica.

• $I_E \approx I_C$ si $\beta$ es alto.

📌 Ejemplo:
Si se necesita $I_C = 5mA$ y queremos $V_E = 1.5V$:

$$R_E = \frac{1.5V}{5mA} = 300 \Omega$$

🔹 2. Cálculo con Coeficiente de Estabilidad S

👉 Objetivo: Evaluar qué tan estable es el circuito frente a cambios de temperatura.

Se usa el coeficiente de estabilidad $S$ definido como:

$$S = \frac{1 + \beta}{1 + \beta + \frac{R_B}{R_E}}$$

donde $R_B$ es la resistencia de polarización de base.

🔹 Para mejor estabilidad térmica, $S$ debe ser lo más cercano a 1 posible.
🔹 Se logra haciendo $R_E$ grande en comparación con $R_B$.

📌 Ejemplo:
Si $\beta = 100$ y queremos $S \approx 1.2$, despejamos $R_E$ respecto a $R_B$.

🔹 3. Método con Thevenin para Mayor Precisión

👉 Objetivo: Ajustar $R_E$ considerando el circuito equivalente en Thevenin.

Se usa:

$$V_E = \frac{V_{BB} - V_{BE}}{1 + \frac{R_B}{R_E}}$$

para ajustar el voltaje en $R_E$, asegurando un margen adecuado para la estabilidad térmica.

📌 Ejemplo:
Si $V_{BB} = 10V$, $V_{BE} = 0.7V$, y queremos $V_E = 2V$, despejamos $R_E$.

🔹 4. Uso de un Diodo para Compensación Térmica

👉 Objetivo: Compensar directamente el efecto de la temperatura en $V_{BE}$.

🔹 Se coloca un diodo en serie con $R_E$, de manera que su caída de voltaje compense la variación de $V_{BE}$.
🔹 Se usa cuando el circuito está expuesto a cambios extremos de temperatura.

📌 Ejemplo:
Colocar un diodo 1N4148 en serie con $R_E$ para compensar $-2mV/°C$.

📌 Conclusión

Si el objetivo es máxima estabilidad térmica, la mejor opción es: 

✔ Un $R_E$ que genere un voltaje adecuado (~10% de $V_{CC}$).
✔ Un valor alto de $R_E$ en relación con $R_B$ (minimiza $S$).
✔ Compensación con diodo si hay grandes variaciones de temperatura.

✔ Los cálculos para $R_E$ se pueden aplicar en otras configuraciones (CC/BC).
✔ Cada configuración usa $R_E$ para algo diferente:

• EC: Estabilidad térmica y control de ganancia.

• BC: Impedancia de entrada y estabilidad.

• CC: Control de impedancia de salida.
  ✔ El voltaje en $R_E$ varía dependiendo de la configuración.

Referencias

• Libro: Principios de Electrónica - Albert Malvino - Ed McGraw-Hill
• Experiencia propia
• https://www.elprocus.com/difference-between-npn-and-pnp-transistor/
• https://mielectronicafacil.com/componentes/transisto
• https://cifpn1.com/electronica/?p=4151
• https://www.areatecnologia.com/TUTORIALES/EL%20TRANSISTOR.htm
• https://www.tuveras.com/electronica/transistor/transistor_configuraciones.htm
• https://cifpn1.com/electronica/?p=4151
• https://www.electronicafacil.net/tutoriales/TRANSISTOR-AMPLIFICADOR-EMISOR-COMUN.html