Evaluación Formativa 1 — Item Desarrollo

Resolución paso a paso, sin saltarse nada

Los tres ejercicios de desarrollo resueltos de principio a fin: qué se supone, por qué se supone, qué fórmula se usa en cada paso, y por qué el método clásico de mallas o de nodos no se puede aplicar directamente aquí.

¿Por qué no se resuelve directamente por malla o por nodo?

El método de mallas y el método de nodos son procedimientos para circuitos lineales: necesitan que cada elemento tenga una relación fija entre su voltaje y su corriente (una resistencia, por ejemplo, siempre cumple V = I·R, con R constante), para poder armar un sistema de ecuaciones simultáneas y resolverlo de una sola vez.

El problema es que un diodo, un Zener o la unión base-emisor de un transistor no son lineales: no tienen una única relación V-I fija. Se comportan de una manera si están "apagados" (no conducen, es como un circuito abierto) y de otra completamente distinta si están "encendidos" (conducen, y ahí sí se comportan casi como una fuente de voltaje fija). Y en el caso del transistor, hay todavía más posibilidades: corte, activa o saturación.

Como no sabemos de antemano en cuál de esos comportamientos está cada dispositivo, no podemos escribir todavía las ecuaciones de malla o de nodo para todo el circuito: nos falta saber qué "cara" tiene cada dispositivo no lineal en este momento. Por eso el orden correcto es:

  1. Suponer un estado de operación para cada dispositivo no lineal (¿el diodo conduce o no? ¿el Zener está en ruptura? ¿el transistor está en corte, activa o saturación?), basándose en los voltajes que da el enunciado.
  2. Reemplazarlo por su modelo lineal equivalente para ese estado (una fuente de 0,7V, una fuente de VZ, una fuente de corriente dependiente β·IB, etc.).
  3. Recién ahora el circuito quedó formado solo por resistencias y fuentes: ahí sí se puede aplicar Ley de Ohm, KVL o KCL con total normalidad — que es, en el fondo, lo mismo que hace un análisis de mallas o de nodos, solo que aplicado de forma directa porque estos circuitos son pequeños.
  4. Verificar que la suposición inicial fue correcta (¿la corriente dio positiva? ¿el Zener tiene al menos su corriente mínima? ¿el transistor realmente está en la zona que supusimos?). Si algo no calza, se cambia la suposición y se repite desde el paso 2.

En resumen: no es que mallas y nodos estén prohibidos — es que solo se pueden aplicar después de reemplazar los dispositivos no lineales por su modelo equivalente. Ese paso previo (suponer y sustituir) es el que no existe en un circuito puramente resistivo, y es la razón por la que estos ejercicios se sienten distintos a un ejercicio "clásico" de mallas.

Ejercicio 1

Regulador serie con transistor y diodo Zener

Un transistor NPN conectado como seguidor de emisor, con un diodo Zener fijando el voltaje de su base, alimentando una carga desde el emisor.

Circuito regulador con transistor NPN: entrada de 16,9V, resistencia de 68 ohm entre la entrada y la base, diodo Zener de 12,6V entre la base y tierra, y una carga conectada al emisor del transistor

Regulador serie Zener-transistor (seguidor de emisor con referencia Zener)

16,9 VVCC
68 ΩR (1W)
12,6 VVZ
40β
2000 ΩRL
Por qué aquí en particular no partimos con mallas: el circuito tiene dos dispositivos no lineales — el diodo Zener y la unión base-emisor del transistor — y además el transistor tiene un tercer terminal (colector) que lo conecta a otra malla distinta a la de polarización. Antes de poder escribir cualquier ecuación de malla necesitamos decidir el "modelo" de esos dos dispositivos.
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Suponer el estado de operación de cada dispositivo no lineal

El diseño de este circuito (una resistencia limitando corriente desde VCC hacia un Zener conectado a tierra) es exactamente la topología típica de un regulador con Zener: se espera que el Zener esté polarizado en inverso y trabajando en su zona de ruptura, para que mantenga fijo su voltaje VZ sin importar pequeñas variaciones de VCC o de la carga.

Por su parte, el transistor está conectado como seguidor de emisor (colector a VCC, base fija por el Zener, salida en el emisor): este arreglo se diseña para que el transistor trabaje en su zona activa, traspasando el voltaje de la base al emisor con solo una caída fija de VBE.

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Sustituir cada dispositivo por su modelo lineal equivalente

Con esa suposición, reemplazamos:

Zener en ruptura  →  fuente de tensión fija VZ = 12,6 V
Unión B-E en activa  →  caída fija VBE ≈ 0,7 V La malla de salida queda modelada además por la fuente de corriente dependiente IC = β·IB entre colector y emisor.

Con esto, el circuito queda formado solo por resistencias y fuentes (algunas fijas, otra dependiente de IB): ya es un circuito lineal y podemos aplicar Ohm y KVL con confianza.

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Identificar las dos mallas del circuito ya linealizado

Ahora sí podemos "ver" las mallas: la malla de polarización (VCC → R → Zener → tierra) que fija el voltaje de base, y la malla de salida (base → unión BE → emisor → carga → tierra) que fija el voltaje de salida. Ambas mallas quedan acopladas por el transistor: la corriente de una influye en la otra a través de la relación IC = β·IB.

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a) Calcular el voltaje de salida (VO) — malla de salida

Como el Zener fija la base en VZ, y el transistor en activa resta una caída fija VBE entre base y emisor, el voltaje de salida (que es el voltaje del emisor) es directamente:

VO = VZ − VBE = 12,6 − 0,7
VO = 11,9 V
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a) Calcular la corriente en la carga (I)

Con el voltaje de salida ya conocido, y sabiendo que la carga está conectada entre el emisor y tierra, aplicamos la ley de Ohm directamente sobre RL:

IL = VO / RL = 11,9 / 2000
IL = 5,95 mA
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b) Calcular la corriente por la resistencia de 68Ω — malla de polarización

En la malla de polarización, la resistencia R está entre VCC y la base (que quedó fija en VZ por el Zener). Aplicamos Ohm sobre esa diferencia de voltaje:

IR = (VCC − VZ) / R = (16,9 − 12,6) / 68
IR = 63,24 mA
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b) Calcular la corriente de base (IB), usando la fuente dependiente que acopla ambas mallas

Aquí es donde el transistor "conecta" las dos mallas: la corriente de base que necesita la malla de salida (para sostener IL = 5,95mA con esa ganancia β) es la que se le resta a la malla de polarización. Usando IE ≈ IL y la relación IE = (β+1)·IB:

IB = IL / (β + 1) = 5,95 / 41
IB ≈ 0,145 mA
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b) Calcular la corriente por el diodo Zener — KCL en el nodo de la base

En el nodo de la base concurren tres ramas: la corriente que llega por R (IR), la que se va hacia la base del transistor (IB), y la que se va hacia el Zener (IZ). Por KCL, la corriente que entra debe ser igual a la suma de las que salen:

IZ = IR − IB = 63,24 − 0,145
IZ ≈ 63,10 mA
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Verificar la suposición inicial

IZ ≈ 63,10mA es una corriente positiva y muy superior a la corriente mínima de mantención típica de un Zener (del orden de 1 a 5mA): el Zener efectivamente puede sostenerse en su zona de ruptura. La corriente de base (0,145mA) es coherente con un transistor en zona activa entregando 5,95mA de salida con β=40. La suposición inicial queda confirmada.

Resultados finales — Ejercicio 1

11,9 VVoltaje en la carga (VO)
5,95 mACorriente en la carga (I)
≈ 63,10 mACorriente en el Zener (IZ)
Ejercicio 2

Circuito con LED rojo y diodo Zener

Una fuente alimenta un LED en serie con una resistencia, que llega a un nodo regulado por una batería de 2V en serie con un Zener, y de ahí a una segunda resistencia con una carga.

Circuito con fuente vi, diodo LED D1 en serie con una resistencia de 1kΩ, un nodo intermedio con una batería de 2V en serie con un diodo Zener de 3V hacia tierra, otra resistencia de 1kΩ hacia la salida Vo, y una carga de 2kΩ

LED D1 + red resistiva + rama de referencia (batería 2V + Zener 3V)

10 VVi
2,5 VVF del LED
3 VVZ del Zener
1 kΩ + 1 kΩR1, R2
2 kΩCarga
Por qué aquí en particular no partimos con nodos: tenemos dos dispositivos no lineales en el mismo circuito (el LED y el Zener). El método de nodos asume que puedes escribir, para cada rama que llega a un nodo, una corriente en función del voltaje mediante una resistencia fija — y eso no es cierto para el LED ni para el Zener mientras no sepamos si están conduciendo o no.
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a) Suponer el estado de operación de cada diodo

Vi = 10V es un voltaje bastante mayor que la suma de las caídas típicas de un LED (2,5V) y de un Zener en ruptura (3V) más su batería en serie (2V): hay "margen" de sobra para que ambos conduzcan. Por eso suponemos:

D1 (LED) → polarizado en directo, conduce
Zener → polarizado en inverso, en ruptura (regulando)
Ambos diodos conducen
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Sustituir cada diodo por su modelo lineal equivalente

Con esa suposición:

LED conduciendo → caída fija VF = 2,5 V
Zener en ruptura → fuente de tensión fija VZ = 3 V, en serie con la batería de 2 V ya existente

El circuito queda formado solo por resistencias y fuentes fijas: ya podemos aplicar KVL y KCL.

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Calcular el voltaje del nodo central (VN), fijado por la rama de referencia

La batería de 2V y el Zener de 3V están en serie, entre el nodo central y tierra. Como ambos son ahora fuentes de tensión fija, el voltaje del nodo queda determinado directamente por esa rama, sin necesidad de ninguna ecuación adicional:

VN = 2 + 3
VN = 5 V
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b) Calcular el voltaje de salida (VO), con un divisor de tensión

Entre el nodo central (a 5V) y tierra, la segunda resistencia (1kΩ) y la carga (2kΩ) quedan en serie formando un divisor de tensión simple, porque no hay ninguna otra rama conectada entre ellas:

VO = VN · ( Rcarga / (R2 + Rcarga) ) = 5 · ( 2k / (1k + 2k) )
VO ≈ 3,33 V
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c) Calcular la corriente por el LED (que es la misma que por R1)

El LED y la primera resistencia (1kΩ) están en serie entre Vi y el nodo central: por lo tanto llevan la misma corriente. Aplicando KVL en esa rama (Vi menos la caída del LED, menos el voltaje del nodo, dividido por R1):

ILED = (Vi − VF − VN) / R1 = (10 − 2,5 − 5) / 1000
ILED = 2,5 mA
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c) Calcular la corriente hacia la carga (a través de R2)

Con el voltaje del nodo (5V) y el de salida (3,33V) ya conocidos, aplicamos Ohm sobre R2:

IL = (VN − VO) / R2 = (5 − 3,33) / 1000
IL ≈ 1,67 mA
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c) Calcular la corriente por el Zener — KCL en el nodo central

En el nodo central llegan tres ramas: la corriente que entra desde el LED (ILED), y las que salen hacia la carga (IL) y hacia el Zener (IZ). Por KCL:

IZ = ILED − IL = 2,5 − 1,67
IZ ≈ 0,83 mA
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Verificar la suposición inicial

Las tres corrientes (ILED, IL, IZ) dieron positivas, lo cual es consistente con que efectivamente el LED conduce y el Zener está en ruptura entregando corriente hacia el nodo. La suposición queda confirmada.

Resultados finales — Ejercicio 2

Ambos conducenEstado de los diodos
≈ 3,33 VVoltaje de salida (VO)
2,5 mACorriente en el LED
≈ 0,83 mACorriente en el Zener
Ejercicio 3

Control de un motor con dos transistores (BC548 y TIP41)

Un pulso digital (6V / 0V) controla, a través de un BC548, la base de un TIP41 que enciende o apaga un motor protegido por un diodo de rueda libre.

Circuito de control de motor con un pulso de entrada a través de una resistencia de 1kΩ hacia la base de un transistor BC548, cuyo emisor alimenta la base de un transistor TIP41 y una resistencia de 470 ohm a tierra, con el TIP41 controlando un motor protegido por un diodo 1N4002 de rueda libre

Pre-driver BC548 + etapa de potencia TIP41, motor con diodo de protección 1N4002

6 V / 12 VFuente
100β BC548
40β TIP41
1 kΩR base BC548
470 ΩR base TIP41
6 V → 0 VPulso de entrada
Por qué este circuito es completamente distinto a los dos anteriores: aquí los transistores no están polarizados para trabajar en zona activa de forma continua — están diseñados para funcionar como llaves (conmutación), saltando entre corte y saturación según un pulso digital. No existe "un" punto de operación fijo que resolver con un sistema de ecuaciones simultáneas: existen dos circuitos distintos (uno para cada valor del pulso), y hay que resolver cada uno por separado, en cascada (primero el BC548 decide, y su resultado determina qué le pasa al TIP41). Por eso el análisis es secuencial y no simultáneo.

Caso 1 — Entrada = 6 V (pulso alto)

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Suponer el estado de ambos transistores

Con 6V en la entrada hay suficiente voltaje para superar las caídas base-emisor necesarias, así que suponemos que ambos transistores conducen: el BC548 en su zona activa (actúa como seguidor de emisor, entregando corriente a la base del TIP41), y el TIP41 empujado hacia saturación (para que se comporte como un interruptor cerrado y encienda el motor).

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a) Calcular la corriente de base del BC548

El camino de la corriente desde la entrada pasa por la resistencia de 1kΩ, entra a la base del BC548, sale por su emisor (que está al mismo voltaje que la base del TIP41), y de ahí atraviesa la unión base-emisor del TIP41 hasta tierra. Es decir, en este tramo hay dos caídas de 0,7V en serie (una del BC548, otra del TIP41) antes de llegar a tierra:

IB = (Vin − VBE(BC548) − VBE(TIP41)) / R = (6 − 0,7 − 0,7) / 1000
IB(BC548) ≈ 4,6 mA
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b) Voltaje en cada resistencia

La resistencia de 1kΩ absorbe toda la caída entre los 6V de entrada y las dos uniones base-emisor en serie; la de 470Ω queda directamente en paralelo con la unión base-emisor del TIP41 (que ya fijamos en 0,7V):

VR(1kΩ) = 6 − 0,7 − 0,7 = 4,6 V
VR(470Ω) ≈ VBE(TIP41) ≈ 0,7 V
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c) ¿Por qué la corriente exacta del motor no se puede calcular?

Cuando el TIP41 se satura, se comporta como un interruptor cerrado (VCE ≈ 0V), y prácticamente todo el voltaje de la fuente (6 o 12V) queda aplicado sobre el motor. Pero la corriente que realmente circula depende de la resistencia interna del bobinado del motor (I = V/Rmotor), un dato que el enunciado no entrega. Lo único que sí podemos estimar es una cota máxima teórica usando la ganancia del transistor, para demostrar que efectivamente está saturado — no para obtener la corriente real:

IE1 = (βBC548+1) · IB1 = 101 · 4,6mA ≈ 464,6 mA
IB2 = IE1 − I(470Ω) = 464,6mA − 1,489mA ≈ 463,1 mA
IC2(máx. teórica) = βTIP41 · IB2 = 40 · 463,1mA ≈ 18,5 A
Una corriente de colector "teórica" de 18,5A es absurdamente alta para un TIP41: eso es precisamente la señal de que el transistor no está realmente en zona activa (donde valdría IC=β·IB) sino profundamente en saturación. En saturación, el transistor ya no obedece esa fórmula — se comporta como una llave cerrada, y es el circuito externo (el motor) el que termina fijando cuánta corriente realmente circula.
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d) Estado del diodo 1N4002

Mientras el motor gira con corriente estable en este caso, el diodo de rueda libre queda polarizado en inverso (no conduce): su función no es participar del encendido, sino ofrecer un camino seguro a la corriente inducida por el motor en el instante en que el TIP41 se apague (protección contra la fuerza contraelectromotriz).

Caso 2 — Entrada = 0 V (pulso bajo)

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Suponer el estado de ambos transistores

Sin voltaje de entrada no hay corriente de base posible para el BC548 (IB = 0), por lo que suponemos que ambos transistores están en corte.

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a), b) y c) Consecuencias directas del corte

Con ambos transistores en corte, no circula corriente por ninguna rama de la etapa de control:

IB = 0 → El motor no funciona → Imotor = 0 A
VR(1kΩ) ≈ 0 V     VR(470Ω) ≈ 0 V
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d) Estado del diodo 1N4002

El diodo permanece sin conducir; solo entraría en acción de forma transitoria si el motor estuviera girando justo antes de este instante (para dar salida a la energía magnética almacenada al cortar la corriente bruscamente).

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Verificar la suposición

Todas las corrientes y voltajes dieron cero o prácticamente cero, consistente con transistores en corte y ninguna fuente de corriente de base disponible. La suposición queda confirmada.

Resultados finales — Ejercicio 3

PreguntaEntrada = 6VEntrada = 0V
a) Condición del motorFunciona (ambos transistores conducen/saturan)No funciona (ambos en corte)
b) Voltaje en R(1kΩ) / R(470Ω)4,6 V / 0,7 V≈0 V / ≈0 V
c) Corriente del motorNo calculable sin la R del motor (el TIP41 satura; solo se acota un máximo teórico ≈18,5A que confirma la saturación)0 A
d) Estado del diodo 1N4002En inverso, sin conducir (protección pasiva)Sin conducir