4. BJT

TRANSISTOR BIPOLAR (BJT)

Transistor bipolar o de unión bipolar: La carga en el dispositivo es transportada por dos portadores de diferente polaridad (huecos y electrones).

Consiste fundamentalmente en dos uniones PN contrapuestas, contenidas en un solo cristal semiconductor ya sea silicio o germanio.

Las dos uniones en un transistor BJT dan origen a tres regiones que se denominan EMISOR, BASE y COLECTOR.

En función del tipo de impurezas o dopado de las tres regiones los transistores BJT se clasifican en: PNP y NPN.

TRANSISTOR BJTTRANSISTOR BJT

TRANSISTOR BIPOLAR (BJT)

CLASIFICACION SEGÚN DOPADO O IMPUREZAS

𝑽𝑪𝑬+ 𝑽𝑩𝑪− 𝑽𝑩𝑬= 𝟎 𝑽𝑩𝑪= 𝑽𝑩𝑬− 𝑽𝑪𝑬 𝑰𝑬= 𝑰𝑪+ 𝑰𝑩 𝑰𝑬= 𝜷𝑰𝑩+ 𝑰𝑩

ESTRUCTURA Y PRINCIPIO DE OPERACIÓN DEL BJT

La unión emisor-base se polariza en sentido directo presentando una resistencia relativamente baja.

La unión colector-base se polariza en sentido inverso presentando una resistencia elevada.

La intensidad de emisor es ligeramente mayor que la de colector, esa diferencia origina la pequeña intensidad de base.

La amplificación puede conseguirse en virtud de la gran diferencia entre las resistencias de entrada y salida que son atravesadas por intensidades de corrientes prácticamente iguales.

Para el empleo práctico de los transistores (BJT) se pueden configurar tres tipos de circuitos: base común, emisor común y colector común o seguidor emisor.

ESTRUCTURA Y PRINCIPIO DE OPERACIÓN DEL BJT

LOS CIRCUITOS BC, EC, CC.

CONFIGURACION EMISOR COMUN. E.C.

1.Ganancia en corriente: hfe=(20~200).

2. Ganancia en tensión: Alta

3. Ganancia de potencia: Alta

4. Resistencia de entrada:

Moderada 500~2000 ohmios

5. Resistencia de salida:

Moderada: 10 Kilohmios ~ 50 Kil ohmios

CONFIGURACION BASE COMUN. B.C.

1.Ganancia en corriente: hfb < 1.

2. Ganancia en tensión: Alta

3. Ganancia de potencia: Alta


Baja 30~50 ohmios


Alta: 100 Kil ohmios ~ 500 Kil ohmios

CONFIGURACION COLECTOR COMUN. C.C.

1.Ganancia en corriente: hfc 40~200.

2. Ganancia en tensión: <1

3. Ganancia de potencia: Moderada


Alta 10 kil ohmios ~500 Kil ohmios


Baja: 20 ohmios ~ 100 ohmios

RESUMEN DE PROPIEDADES DE LOS CIRCUITOS BC, EC, CC.

Propiedad BC = Base común

EC = Emisor común

CC = Colector común

Ganancia de

corriente hfb < 1 hfe (40-200) hfc (40-200)

Ganancia de tensión Alta Alta Inferior a 1

Ganancia de potencia

Alta Alta Moderada

Resistencia de entrada

Baja (30 -50 ohm) Moderada (500 -2Kohm) Alta (10Kohm- 500Kohm)

Resistencia de salida

Alta (100Kohm.500Kohm)

Moderada (10Kohm-50Kohm)

Baja (20-100ohm)

En la práctica la configuración de mayor aplicación es la de emisor común y la de menor la de base común

RESUMEN DE PROPIEDADES DE LOS CIRCUITOS BC, EC, CC.

BJT COMO RESISTENCIA VARIABLEBJT COMO RESISTENCIA VARIABLE

𝑽𝑶𝑼𝑻= 𝑽𝑪𝑬= (𝑰𝑪∗𝑹𝑶𝑼𝑻) = (𝑽𝑪𝑪) 𝑹𝑶𝑼𝑻𝑹𝑶𝑼𝑻+ 𝑹𝑳

VARIACION DE LA GANACIA DE CORRIENTE EN UN BJT

EL TRANSISTOR BIPOLAR O BJT DE POTENCIA

El BJT es un dispositivo unidireccional: La corriente de colector es controlada mediante la corriente de base.

En aplicaciones de potencia trabaja conmutando entre las regiones de corte y saturación.

Maneja menores tensiones que los SRC y que el GTO pero son más rápidos y más fáciles de controlar.

Tiempo de conmutaciones entre ambos estados > 2 microsegundos, la Frecuencia máxima de trabajo en los transistores BJT < 100Khz Bloqueo de voltaje directo del orden de 1500V No bloquea voltaje inverso Capacidad de corriente del orden de 1000A Voltaje de conducción pequeño y prácticamente constante Control por corriente de valor relativamente elevado

OPERACIÓN DEL BJT COMO INTERRUPTOR CONTROLADO

La operación del BJT como interruptor controlado la podemos resumir asi: IB= corriente de base. IC= Corriente de colector. Se define = factor de amplificación de corriente continua.

=B

C

I

I.

Saturación: IB>CI , el transistor esta saturado por lo tanto el voltaje sobre la carga es máximo.

Si IB = 0 el transistor esta en la región de corte o bloqueado por lo tanto IC (corriente de colector) = 0 y VCE (voltaje entre colector emisor) es igual al voltaje de la fuente. El requerimiento de elevadas tensiones en transistores de potencia conlleva a limitaciones de operación. En corte: Hay tensión máxima entre los extremos de la capa de carga espacial de la unión colector-base (polarización inversa) El aumento de Vcb aumenta la anchura de la capa y acorta las regiones de base y de colector. Por acción de campo eléctrico puede aparecer una alta corriente que puede destruir el dispositivo (efecto conocido como perforación)

OPERACIÓN DEL BJT COMO INTERRUPTOR CONTROLADO

CORTE Y SATURACION

TIEMPOS DE CONMUTACION

El retardo de conmutación, al cambiar de un estado a otro produce un pico de potencia disipada, debido al valor del producto Ic x Vce

Estas pérdidas se incrementan con la frecuencia de trabajo, debido al aumento del número de veces que se produce el paso de un estado a otro.


Son dos Tiempos: De excitación o encendido (ton) y de apagado (toff).

Ton Tiempo de retardo (Delay Time, td): Es el

tiempo que transcurre desde que se aplica la señal de entrada al dispositivo, 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 pasar del 10% al 90% de su valor final.

Toff Tiempo de almacenamiento (Storage

time, ts): Tiempo que transcurre desde que se quita la señal de entrada hasta 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 caer del 90% al 10% de su valor final


Nótese 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 de funcionamiento del transistor:

Por tanto, se pueden definir las siguientes relaciones :

𝒕𝒐𝒏 = 𝒕𝒅+𝒕𝒓 𝒕𝒐𝒇𝒇 = 𝒕𝒔+𝒕𝒇 𝒇𝒎𝒙 = 𝑭𝒓𝒆𝒄𝒖𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒎𝒂𝒙𝒊𝒎𝒂 𝒅𝒆 𝒕𝒓𝒂𝒃𝒂𝒋𝒐

𝒇𝒎𝒙 = 𝟏𝒕𝒐𝒏 + 𝒕𝒐𝒇𝒇

BJT CORTE SATURACIONBJT CORTE SATURACION

PARAMETROS DEL BJT DE POTENCIA

Los datos de los transistores BJT de potencia indican: primero la magnitud (V para tensión, I para corriente etc.,).

Los subíndices indican los terminales entre los que se hace la medición, siguiendo la siguiente correspondencia: E emisor, C colector y B base.

Cuando aparece un tercer subíndice el significado obedece a la siguiente regla: O: El terminal sin nombrar esta sin conectar o abierto R: se conecta una resistencia entre el terminal sin nombrar y el emisor. S: el terminal sin nombrar se encuentra cortocircuitado con el terminal e

referencia EMISOR V: para indicar polarización inversa

Tensiones máximas según fabricanteTensiones máximas según fabricante

VCEO = Tensión colector emisor con la base abierta. VCESM = Tensión de colector a emisor de pico con VBE = 0. VCER = Tensión colector emisor con resistencia especificada entre base y emisor. VCBO = Tensión colector base con emisor abierto. VEBO = Tensión emisor base colector abierto. VCBC = Tensión colector base con una tensión especificada ente emisor y base VCC = voltaje de alimentador de colector VBB = Voltaje de alimentación de base VBE(sat) = Voltaje base emisor de saturación. V(BR)CEO = Voltaje de ruptura ente colector y emisor con base abierto V(BR)CBO = Voltaje de ruptura ente colector y base con emisor abierto V(BR)CER = Voltaje de ruptura ente colector y emisor con resistencia entre base

emisor

Intensidades de corriente máximas según fabricante.Intensidades de corriente máximas según fabricante.

IC = corriente de colector, en continua ICM = corriente de colector de pico. IB = Corriente de base, en continua IBM = corriente de base de pico. ICEO = Corriente de corte de colector con base abierta. ICEX = Corriente de corte de colector con circuito especificado en base emisor ICEV = Corriente de corte de colector con tensión especificada entre base emisor ICES = Corriente de corte de colector con base y emisor en cortocircuito IEBO = Corriente de corte de emisor con colector abierto ICBO = corriente colector base con emisor abierto

CORRIENTES DE FUGACORRIENTES DE FUGA

ICEO = corriente de colector a emisor con base abierta. ICBO = corriente colector base con emisor abierto

CAIDAS DE TENSION Y POTENCIACAIDAS DE TENSION Y POTENCIA

Caídas de tensión:

VCE(sat): = caída de tensión entre colector y emisor de saturación, para determinada corriente de base y de colector.

VBE(sat) = caída de tensión entre base emisor en saturación, para determinada corriente de base y de colector.

Ptot = Potencia total disipable a una temperatura de la armadura de montaje fija.

Tj = temperatura máxima de unión.

hfe.= 𝜷= ganancia de corriente en directa.

ZONAS DE TRABAJO DE UN BJT

La curva característica de un transistor de potencia (IC frente VCE) nos permite diferenciar las zonas de trabajo posible:

Zona de bloqueo: Corriente de base nula y la de colector es de muy bajo valor, pudiendo soportar altas tensiones entre el colector y el emisor.

Zona lineal: El transistor actúa como amplificador. No utilizada en el manejo de electrónica de potencia debido a las grandes pérdidas de potencia, grandes tensiones y grandes intensidades de corriente en el dispositivo.

Zona de quasi – saturación: Bajas tensiones entre colector emisor, la ganancia del transistor no es constante (se abandona la zona lineal).

Zona de saturación: Corriente de colector elevada, caídas de tensión muy bajas entre colector y emisor, potencia a disipar es pequeña.


Durante el estado de no conducción (zona de corte) el transistor se va a caracterizar por dos parámetros.

1. Tensión de colector- emisor de avalancha, que depende de la polaridad de la unión base-emisor. Representa la máxima tensión que puede soportar el dispositivo sin que haya avalancha de la unión. El fabricante suministra el dato VCE0(sus) como tensión máxima soportable por el dispositivo para corrientes de colector significativas.

2. Corriente de fuga entre colector y emisor, de valor muy pequeño siendo menos importante que el anterior. (Iceo)


Durante el estado de conducción (zona de saturación) o quasi-saturación el funcionamiento del transistor es caracterizado por los siguientes parámetros:

Caída de tensión entre colector y emisor en saturación VCE(sat). Este valor debe ser siempre acompañado de la corriente de colector y la corriente de base utilizadas para efectuar la medida por lo regular el fabricante suministra graficas.

Corriente de colector máxima. Fijada por el fabricante del dispositivo (es posible que se indique para corriente continua o corriente pulsante)

CURVA CARACTERISTICA CORRIENTE-TENSION PARA UN BJT NPN

AREA DE TRABAJO SEGURO (SOA) DEL BJT

El fabricante aporta la grafica SOA (Safe Operating Area).

El área de trabajo seguro en conmutación es diferente y de mayor extensión que para funcionamiento en la zona lineal.

En conmutación el transistor presenta dos estados estables de baja disipación de potencia: corte y saturación.

En la zona activa la disipación de potencia es alta.

SOA se encuentra limitado por:

1. Icm dada por fabricante y depende de la construcción del dispositivo.2. Potencia máxima disipable en el BJT que es función directa de la

Tjmax de la juntura y por el régimen de trabajo del BJT en conmutación o en continua.

3. Segunda ruptura. Se produce al presentar puntos de mayor conducción de corriente localizados en la pastilla del semiconductor.

4. Tensión máxima colector-emisor Vcesus Es lo máximo que soporta el BJT, correctamente polarizado.

AREA DE TRABAJO SEGURO (SOA) DEL BJT

AVALANCHA PRIMARIA Y SECUNDARIA

1. Si se excede la máxima tensión permitida entre colector y base con el emisor abierto (VCBO), o la tensión máxima permitida entre colector y emisor con la base abierta (VCEO), la unión colector - base polarizada en inverso entra en un proceso de ruptura como cualquier diodo, fenómeno denominado avalancha primaria.

2. También puede presentarse avalancha en algunos casos trabajando con tensiones por debajo de los límites anteriores por la aparición de puntos calientes (focalización de la corriente de base), producida por la polarización en directo de la unión base - emisor. La polarización de la juntura crea un campo magnético transversal en la zona de base que se opone al paso de portadores minoritarios a una pequeña zona del dispositivo (anillo circular). La densidad de potencia que se concentra en dicha zona es proporcional al grado de polarización de la base, a la corriente de colector y a la VCE, y alcanzando cierto valor, se produce en los puntos calientes un fenómeno degenerativo con el consiguiente aumento de las pérdidas y de la temperatura. Fenómeno conocido con el nombre de avalancha secundaria.

AVALANCHA SECUNDARIA

El fenómeno de avalancha secundaria o segunda ruptura suele El fenómeno de avalancha secundaria o segunda ruptura suele darse por dos causas.darse por dos causas.

1.1. Con polarización directa de la base. Si la intensidad de excitación se Con polarización directa de la base. Si la intensidad de excitación se lleva por debajo de la suficiente para la saturación del BJT (Es muy lleva por debajo de la suficiente para la saturación del BJT (Es muy común para circuitos con componentes inductivos).común para circuitos con componentes inductivos).

2.2. Si la corriente de colector exigida es superior a la máxima en Si la corriente de colector exigida es superior a la máxima en saturación, debido a que no es posible mantener saturado el BJT saturación, debido a que no es posible mantener saturado el BJT incluso con Ib elevadas.incluso con Ib elevadas.

Generalmente, los BJT en aplicaciones conmutan con plena tensión y Generalmente, los BJT en aplicaciones conmutan con plena tensión y

corriente, se corre el riesgo de superar el limite de segunda ruptura en corriente, se corre el riesgo de superar el limite de segunda ruptura en el SOA. Como protección se utilizan circuitos de ayuda para la el SOA. Como protección se utilizan circuitos de ayuda para la conmutación.conmutación.

Aparte del fenómeno de avalancha secundaria, uno de los inconvenientes de los transistores BJT es el control por corriente de base, a causa del bajo valor de su ganancia de corriente, típicamente del orden de 10.

Los transistores Darlington ofrecen mayor ganancia de corriente (generalmente superior a 70) a costa de un mayor voltaje de conducción y de una disminución en la frecuencia de conmutación.

Su principal ventaja es la baja caída de voltaje de saturación, prácticamente independiente de la corriente de colector (carga). El voltaje de saturación es normalmente entre 0.8V y 2.5V.

Rangos de funcionamiento 1200V y 600A.

AVALANCHA SECUNDARIAAVALANCHA SECUNDARIA

MODULOS DARLINGTON PARA BJT.

Debido a altas intensidades de trabajo, se presenta baja ganancia (igual o menor a 10)

Este aspecto se mejora utilizando módulos Darlington.

Existen varias configuraciones de módulos Darlington.

CAIDAS DE TENSION Y POTENCIA

Caídas de tensión:

VCE(sat): = caída de tensión entre colector y emisor de saturación, para determinada corriente de base y de colector.

VBE(sat) = caída de tensión entre base emisor en saturación, para determinada corriente de base y de colector.

Ptot = Potencia total disipable a una temperatura de la armadura de montaje fija.

Tj = temperatura máxima de unión.

hfe.= ganancia de corriente en directa.

DATA SHEET TRANSISTOR 2N3904

FACTOR DE AJUSTE (DEGRADACION POR TEMPERATURA)

Indica cuanto hay que reducir la potencia máxima que puede disipar un dispositivo. Se indica en mW/°C.Si un transistor tiene un factor de ajuste de 5 mW/°C, indica que la potencia máxima disipable se debe reducir 5 mW por cada °C que la temperatura exceda a 25°C.Los disipadores sirven para deshacerse del calor interno del dispositivo y aprovechar de lo mejor su desempeño.

4. BJT

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