Electrónica de Potencia/Transistor Bipolar de Potencia/Parámetros Características de funcionamiento

CARACTERÍSTICAS DE FUNCIONAMIENTO -TRANSISTOR BIPOLAR-

En una configuración normal, la unión base-emisor se polariza en directa y la unión base-colector en inversa. Debido a la agitación térmica los portadores de carga del emisor pueden atravesar la barrera de potencial emisor-base y llegar a la base. Todos los portadores que llegan son impulsados por el campo eléctrico que existe entre la base y el colector.

Zonas de Funcionamiento de un Transistor Bipolar

Características transistor NPN: Es el transistor bipolar mas común. Puede ser considerado como dos diodos con la región del ánodo compartida. Una operación típica, la unión base-emisor está polarizada en directa y la unión base-colector está polarizada en inversa. En un transistor NPN, por ejemplo, cuando una tensión positiva es aplicada en la unión base-emisor, el equilibrio entre los portadores generados térmicamente y el campo eléctrico repelente se desbalancea, permitiendo a los electrones excitados térmicamente inyectarse en la región de la base. Dichos electrones circulan a través de la base, desde la región de alta concentración próxima al emisor hasta la región de baja concentración cercana al colector. Estos electrones en la base son portadores minoritarios debido a que la base está dopada con material P, los cuales generan "huecos" como portadores mayoritarios en la base.

La región de la base en un transistor debe ser delgada, para que los portadores puedan difundirse a través de esta en mucho menos tiempo que la vida útil del portador minoritario del semiconductor. El espesor de la base debe ser menor al ancho de difusión de los electrones.

Control de la corriente

La corriente colector-emisor puede ser controlada por la corriente base-emisor o por la tensión base-emisor. Esto es debido a la relación tensión-corriente de la unión base-emisor, la cual es la curva tensión-corriente exponencial usual de una unión PN; diodo.

El control de corriente en un circuito analogico es utilizado debido a que es lineal. Esto significa que la corriente de colector es aproximadamente β veces la corriente de la base. Algunos circuitos pueden ser diseñados asumiendo que la tensión base-emisor es constante, y que la corriente de colector es β veces la corriente de la base. No obstante, para diseñar circuitos utilizando BJT con precisión, se requieren modelos matemáticos del transistor; Ebers-Moll.

Tiempos de conmutación

Cuando el transistor está en saturación o en corte las pérdidas son despreciables. Pero si tenemos en cuenta los efectos de retardo de conmutación, al cambiar de un estado a otro se produce un pico de potencia disipada, ya que en esos instantes el producto IC x VCE va a tener un valor apreciable, por lo que la potencia media de pérdidas en el transistor va a ser mayor. Estas pérdidas aumentan con la frecuencia de trabajo, debido a que al aumentar ésta, también lo hace el número de veces que se produce el paso de un estado a otro.

Podremos distinguir entre tiempo de excitación o encendido (ton) y tiempo de apagado (toff). A su vez, cada uno de estos tiempos se puede dividir en otros dos.

Pico de Potencia Disipada en la Conmutación

Tiempo de retardo (Delay Time, td): Es el tiempo que transcurre desde el instante en que se aplica la señal de entrada en el dispositivo conmutador, hasta que la señal de salida alcanza el 10% de su valor final.

Tiempo de subida (Rise time, tr): Tiempo que emplea la señal de salida en evolucionar entre el 10% y el 90% de su valor final.

Tiempo de almacenamiento (Storage time, ts): Tiempo que transcurre desde que se quita la excitación de entrada y el instante en que la señal de salida baja al 90% de su valor final.

Tiempo de caída (Fall time, tf): Tiempo que emplea la señal de salida en evolucionar entre el 90% y el 10% de su valor final.

Por tanto, se pueden definir las siguientes relaciones :

$t_{on}={t_{d}+t_{r}}$

$t_{off}={t_{s}+t_{f}}$

Es de hacer notar el hecho de que el tiempo de apagado (toff) será siempre mayor que el tiempo de encendido (ton). Los tiempos de encendido (ton) y apagado (toff) limitan la frecuencia máxima a la cual puede conmutar el transistor:

$F_{max}={\frac {1}{t_{on}+t_{off}}}$

VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LOS BJT FRENTE OTROS TRANSISTORES

VENTAJAS

1. Los BJT tienen como ventaja que es posible sacarles una mayor ganancia, a diferencia de los FET y MOSFET, que con iguales configuraciones (por ejemplo, emisor común) poseen una menor ganancia

2. Su uso es más directo (solo con la hoja de datos ya podemos sacar las tensiones mínimas, de saturación…)

3. No se dañan tanto por la electricidad estática como los FET

4. Son mas lineales que los FET

5. Reducidas pérdidas en conducción.

DESVENTAJAS

1. Tienen un consumo importante en la polarización, ya que estos transistores funcionan a partir de corriente.

2. Su respuesta en frecuencia tiende a ser peor que en los MOS

3. Impedancia de entrada baja

4. Generan un nivel de ruido mayor que los FET

5. Son menos estables con la temperatura

6. Mas difíciles de fabricar

APLICACIONES

• Amplificación de diferentes tipos (radio, instrumentación, televisión…)

• Función como fototransistores ( Detección de radiación luminosa)

• Generar señales (generador de ondas, emisión de radiofrecuencia, osciladores…)

• Actuar como conductores (conmutar). Control de relés, fuentes de alimentación conmutadas, control de lámparas, modulación por anchura de impulsos…

HOJAS DE CARACTERÍSTICAS DE TRANSISTORES BIPOLARES

En este enlace tenemos los diferentes transistores bipolares con sus caracteríticas principales.

En función de las mismas los transistores tendrán diferentes usos.

Caraterísticas transistores bipolares

Uno de los mas usados es : Transistor bipolar BC546

Todos los transistores de este enlace llevan el mismo formato de características.

A continuación explicaremos las características del transistor:

Disipación total del dispositivo (Pc): Es la potencia que se pierde al pasar el dispositivo, generalmente por medio de la generación de calor en el componente.

Tensión colector-base (Ucb): Voltaje que circula entre las dos puertas del transistor (Colector - Base)

Tensión colector-emisor (Uce): Voltaje que circula entre las dos puertas del transistor (Colector - Emisor)

Tensión emisor-base (Ueb): Voltaje que circula entre las dos puertas del transistor (Emisor - Base)

Corriente del colector DC máxima (Ic): Intensidad máxima que circula por el colector.

Corriente colector-base (Icb): Intensidad que circula entre las dos puertas del transistor (Colector - Base)

Corriente colector-emisor (Ice): Intensidad que circula entre las dos puertas del transistor (Colector - Emisor)

Corriente emisor-base (Ieb): Intensidad que circula entre las dos puertas del transistor (Emisor - Base)

Temperatura operativa máxima (Tj), °C: Temperatura límite de uso del transistor.

PARÁMETROS CARACTERÍSTICOS

hFE

Otro modelo comúnmente usado para analizar los circuitos BJT es el modelo de parámetro h:

Modelo de parámetro h generalizado para un BJT NPN.

Este circuito equivalente de un transistor de unión bipolar permite un fácil análisis del comportamiento del circuito. Como se muestra, el término "x" en el modelo representa el terminal del BJT dependiendo de la topología usada. Para el modo emisor-común los varios símbolos de la imagen toman los valores específicos de:

x = 'e' debido a que es una configuración emisor común.

Terminal 1 = Base

Terminal 2 = Colector

Terminal 3 = Emisor

Iin = Corriente de Base (Ib)

Io = Corriente de Colector (Ic)

Vin = Tensión Base-Emisor (VBE)

Vo = Tensión Colector-Emisor (VCE)

Y los parámetros h están dados por:

hix = hie - La impedancia de entrada del transistor (correspondiente a la resistencia del

emisor re).

hrx = hre - Representa la dependencia de la curva IB–VBE del transistor en el valor de VCE. Es usualmente un valor muy pequeño y es generalmente despreciado (se considera cero).

hfx = hfe - La ganancia de corriente del transistor. Este parámetro es generalmente referido como hFE o como la ganancia de corriente continua (βDC) en las hojas de datos.

hox = hoe - La impedancia de salida del transistor. Este término es usualmente especificado como una admitancia, debiendo ser invertido para convertirlo a impedancia.

Otros parámetros importantes

Corriente máxima: es la máxima corriente admisible de colector (ICM). Con este valor se determina la máxima disipación de potencia del dispositivo.

VCBO: tensión entre los terminales colector y base cuando el emisor está en circuito abierto.

VEBO: tensión entre los terminales emisor y base con el colector en circuito abierto.

Tensión máxima: es la máxima tensión aplicable entre dos terminales del dispositivo (colector y emisor con la base abierta en los bipolares).

Estado de saturación: queda determinado por una caída de tensión prácticamente constante. VCEsat entre colector y emisor en el. Este valor, junto con el de corriente máxima, determina la potencia máxima de disipación en saturación.

Los parámetros más importantes a considerar a la hora de escoger un transistor de esta familia son la corriente máxima continua de colector cuando actúa como interruptor cerrado (IC), la tensión que soporta entre colector y emisor como interruptor abierto (VCE) y el parámetro β (que representa la ganancia de corriente).

Clasificacion

Tendremos que valorar los transistores en funión caracteristicas mas importantes; su potencia disipada, corriente soportada y velocidad de conmutacuión.

Desde este enlace en el que tenemos las hojas de datos de los transistores bipolares realizaremos una clasificación atendiendo a sus características. Transistores bipolares -Datasheet-

Debido a que no existe una clasificación específica, la realizaremos en función de sus parámetros mas importantes.

Los transistores de potencia bipolares son del orden de los W, luego todos los que sean de orden inferior (mW), estan destinados a otro uso como funciones analógicas. En dicho enlace podemos observar transistores desde 2W hasta transistores que soportan 150W.

Otro parámetro importantes a valorar la frecuencia de conmutación,cuanto menos sea el tiempo de conmutación, más rápido funciona, luego más rápido es el transformador, el orden de frecuencia de los transistores bipolares es de KHz o MHz.

Valoraremos también la intensidad soportada por el transistor a la hora de elegir uno de ellos. Los transistores bipolares de potencia responden a una corriente del orden de los A. Esto es debido a que la potencia de dichos transistores es del orden de los W, luego con transistores de menor corriente enseguida los quemaríamos.