Transistor 2N3904 NPN

El 2N3904 es un transistor NPN de propósito general muy versátil, ideal para una amplia gama de aplicaciones de baja potencia y baja corriente (hasta 200 mA). Se utiliza comúnmente en:

• Conmutación (Switching): Para controlar cargas pequeñas como LEDs (con su respectiva resistencia limitadora), pequeños relés de bajo consumo, o como interfaz entre un microcontrolador y otra etapa de mayor potencia.
• Amplificación de Pequeña Señal: Adecuado para etapas de preamplificación de audio, amplificación de señales de sensores, o en circuitos de radiofrecuencia (RF) de baja potencia gracias a su frecuencia de transición (f_T) de 250 MHz.
• Osciladores: Puede usarse en la construcción de diversos tipos de osciladores de baja frecuencia y RF.
• Lógica Discreta: Para construir compuertas lógicas básicas u otras funciones lógicas en proyectos educativos o de prototipado.

Su bajo costo y disponibilidad lo hacen popular para experimentación y producción.

Para usar el 2N3904 como interruptor (en la región de saturación) controlado por un microcontrolador, necesitas calcular la resistencia de base para limitar la corriente de base (I_B). Sigue estos pasos:

1. Determina la Corriente de Colector (I_C): Es la corriente que requiere tu carga (ej. 20mA para un LED). Asegúrate que I_C ≤ 200mA.
2. Estima la Corriente de Base (I_B): Para asegurar la saturación, I_B debería ser aproximadamente I_C / hFE_min. El hFE (ganancia de corriente DC) para el 2N3904 está entre 100 y 300 (a 10mA I_C). Para saturación, es común usar un hFE forzado más bajo, por ejemplo, de 10 a 20. Si I_C = 20mA y usamos un hFE forzado de 20, entonces I_B = 20mA / 20 = 1mA.
3. Calcula R_B: R_B = (V_{OH_MCU} – V_BE(sat)) / I_B.
   • V_{OH_MCU} es el voltaje de salida ALTO del microcontrolador (ej. ~4.5V-5V para un Arduino de 5V, o ~3.0V-3.3V para uno de 3.3V).
   • V_BE(sat) es el voltaje base-emisor en saturación del 2N3904 (típicamente ~0.7V a 0.85V).

   Ejemplo con Arduino 5V, I_C=20mA, I_B=1mA: R_B = (5V – 0.7V) / 0.001A = 4.3V / 0.001A = 4300 Ohmios (4.3kΩ). Un valor estándar cercano como 3.9kΩ o 4.7kΩ funcionaría.

Es siempre bueno verificar el datasheet para los valores exactos de V_BE(sat) y hFE bajo tus condiciones de operación.

Para el transistor 2N3904 en el encapsulado estándar TO-92, mirando la cara plana del componente con los pines apuntando hacia abajo, la configuración de pines más común es:

• Pin 1 (izquierda): Emisor (E)
• Pin 2 (centro): Base (B)
• Pin 3 (derecha): Colector (C)

Es decir, E-B-C de izquierda a derecha. Sin embargo, es altamente recomendable verificar siempre el datasheet específico del fabricante del 2N3904 que estés utilizando, ya que, aunque esta es la configuración más extendida, pueden existir raras variaciones o componentes con encapsulados similares pero diferente pinout. Una conexión incorrecta puede dañar el transistor o el circuito.

La variación del hFE es una característica inherente de los transistores bipolares (BJT) y debe tenerse en cuenta:

• Como Interruptor: Para asegurar que el transistor entre en saturación de manera fiable (se encienda completamente), debes diseñar para el hFE mínimo especificado o incluso asumir un «hFE forzado» más bajo (ej. 10 o 20). Esto garantiza que habrá suficiente corriente de base para saturar el transistor incluso si obtienes una unidad con el hFE en el extremo inferior del rango.
• Como Amplificador: En circuitos amplificadores lineales (ej. emisor común), la variación del hFE puede afectar significativamente el punto de operación DC (punto Q) y la ganancia de voltaje del circuito si no se toman medidas. Para mitigar esto, se utilizan técnicas de diseño como la realimentación negativa (ej. mediante una resistencia de emisor sin desacoplar) que ayudan a estabilizar el punto Q y la ganancia del amplificador contra las variaciones de hFE y temperatura.

Es crucial consultar las curvas del datasheet que muestran cómo varía el hFE con la corriente de colector (I_C) y la temperatura para un diseño más preciso.

Para evitar dañar el transistor 2N3904, es fundamental operar dentro de sus «Valores Máximos Absolutos» especificados en el datasheet:

• Voltaje Colector-Emisor (V_CEO): 40 V. Este es el voltaje máximo entre el colector y el emisor con la base abierta.
• Voltaje Colector-Base (V_CBO): 60 V. Máximo voltaje entre colector y base con el emisor abierto.
• Voltaje Emisor-Base (V_EBO): 6 V. Máximo voltaje inverso que se puede aplicar a la unión base-emisor. Aplicar más de 6V en polarización inversa a esta unión la dañará.
• Corriente Máxima de Colector (I_C): 200 mA. Esta es la corriente continua máxima que puede fluir a través del colector.

Exceder cualquiera de estos valores, incluso momentáneamente, puede degradar o destruir el transistor. Siempre diseña con un margen de seguridad.

Generalmente, el transistor 2N3904 en su encapsulado TO-92 no requiere un disipador de calor para la mayoría de sus aplicaciones típicas de baja potencia. La disipación total permitida a 25°C ambiente es de 625 mW.
La potencia disipada por el transistor se calcula como P_D = V_CE * I_C.

• Cuando se usa como interruptor y está saturado, V_CE(sat) es bajo (típ. 0.2V – 0.3V). Si I_C = 100mA, P_D = 0.3V * 0.1A = 0.03W = 30mW, lo cual está muy por debajo de los 625mW. Incluso a I_C = 200mA, P_D = 0.3V * 0.2A = 60mW, también muy seguro.
• En aplicaciones de amplificación lineal (clase A), V_CE puede ser significativamente mayor (ej. la mitad de VCC). Si VCC=12V, V_CEQ podría ser ~6V. Si I_CQ es 20mA, P_D = 6V * 0.02A = 120mW, todavía muy por debajo del límite.

Solo si se opera continuamente con una combinación de V_CE e I_C que resulte en una disipación cercana o superior a 625mW (lo cual es inusual para las aplicaciones previstas de este transistor), o a temperaturas ambiente muy elevadas, se podría necesitar considerar la disipación térmica. Sin embargo, para la mayoría de los usos de señal y conmutación de baja corriente, no es una preocupación.

La frecuencia de transición (f_T) es la frecuencia a la cual la ganancia de corriente en emisor común (beta o h_fe) del transistor cae a la unidad (1). Es un indicador de la capacidad del transistor para operar a altas frecuencias. Una f_T de 250 MHz para el 2N3904 significa que:

• Puede ser útil en aplicaciones de radiofrecuencia (RF) en las bandas de HF y VHF bajas, como amplificadores de RF de pequeña señal, osciladores o mezcladores, siempre que la ganancia requerida a la frecuencia de operación sea manejable.
• En aplicaciones de conmutación, una f_T más alta generalmente se correlaciona con tiempos de subida y bajada más rápidos, lo que permite una conmutación más veloz.

Sin embargo, la ganancia útil del transistor disminuirá a medida que te acerques a f_T. Para obtener una ganancia de corriente significativa, debes operar a frecuencias considerablemente inferiores a f_T (por ejemplo, f_T/10 o f_T/20). Otros factores como las capacitancias internas del transistor también se vuelven importantes en el diseño de circuitos de RF. Para aplicaciones de microondas o RF de muy alta frecuencia, se necesitarían transistores con f_T mucho más elevadas.