Práctica4

PRÁCTICA # 4 TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNTURA TBJ C Á ÁLL C U L O DE PÉRDIDAS DE POTENCIA Y R EDUCCIÓN E DUCCIÓN DEL TIEMPO DE A PAGADO P AGADO

Marcelo Pozo – [email protected], Carlos Imbaquingo – [email protected], Cristian Tasiguano – [email protected], Leonardo Ortega – [email protected], Xavier Domínguez – [email protected] [email protected] Miguel Argoti – [email protected] María Trujillo – [email protected]

Laboratorio de Electrónica de Potencia

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1. OBJETIVOS Disenãr el circuito de control para un transistor bipolar de juntura de potencia. Conocer las características de conmutación del transistor bipolar de juntura.

2. M ARC O TEÓRICO El transistor bipolar de juntura TBJ es un elemento de tres terminales Figura 1(a). Cada terminal accede a una de las tres capas de semiconductor que forman el elemento. El TBJ tiene dos junturas tal como se indica en la Figura 1(b), la juntura colector-base C BJ y la juntura base-emisor E BJ . C

vCB

+

+ _ vCE + vBE _ _ iE (a)

(b)

Figura 1: Símbolo y estructura interna de un BJT. Las regiones de operación del transistor son: región de corte, región activa y región de saturación. Región de corte: el transistor esta desactivado o la corriente de base es insuficiente para activarlo por la tanto ambas junturas C BJ y E BJ están polarizadas inversamente. Región activa: el transistor actúa como un amplificador de corriente y el voltaje colectoremisor C BJ disminuye con el incremento de la corriente de base. La juntura V C E está en polarización inversa y la juntura E BJ en polarización directa. Región de saturación: la corriente de base es lo suficientemente alta para que el voltaje colector-emisor sea bajo y ambas junturas tienen polarización directa. Un incremento en la corriente de base no produce cambios considerables en la corriente de colector. El transistor actúa como interruptor. Entonces si un transistor trabaja entre las regiones de corte y saturación puede ser usado como un switch o en régimen de conmutación, siendo la configuración de emisor común la más utilizada en estas aplicaciones. Laboratorio de Electrónica de Potencia

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Para entrar a la región de saturación la juntura J C B debe estar en polarización directa, caso contrario si está en polarización inversa, está en la región activa o en la región de corte por lo que el límite para entrar a la región de saturación es cuando V C B = 0 es decir V BE = V C E por lo que la corriente mínima requerida en la base para entrar en saturación estará dada por: I Bs at (min) =

I Csat

(1)

β

Donde I Csat es la correinte de colector cuando V C E = V CEsat . I Csat =

V C C − V C E ( sa t)

(2)

R C

Es recomendable diseñar el circuito para una corriente mayor que I B( sa t)mi n para garantizar que el TBJ está trabajando en la región de saturación, caso contrario una corriente de base insuficiente puede ocasionar que el TBJ trabaje en la región activa lo que implica funcionamiento como amplificador ocasionando un excesivo calentamiento del elemento. La relación entre IB e IB(sat)min se conoce como el factor de sobreexcitación ODF: ODF =

I B

(3)

I Bsa t (mi n)

Y la relación entre I C ( sa t) e I B se conoce como la ganancia forzada: β f =

I Csat

(4)

I B

CONSIDERACIONES DE DISEÑO PARA EL CIRCUITO DE ACTIVACIÓN DEL TBJ Como se puede observar el diseño del circuito de control para transistores de potencia tiene un cierto grado de complejidad por las siguientes razones: Ganancia de corriente baja: los transistores de potencia al ser un elemento controlado por corriente y con una baja ganancia (en saturación la ganancia disminuye) por lo que se requiere una corriente considerable aplicada a la base en ocasiones en las decenas de los amperios por lo que un circuito lógico es incapaz de manejar un transistor directamente lo que hace necesaria una etapa intermedia de acoplamiento en base a un transistor de mediana potencia que será quien suministre la cantidad de corriente requerida en la base del transistor de potencia, como consecuencia la capacidad de corriente requerida desde el circuito de control se vuelve considerable.


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Una posible solución para evitar la necesidad de una considerable corriente en el circuito de control es usar la configuración Darlington donde el transistor de mediana potencia Q2 se coloca de la manera indicada en la Figura 2, en esta configuración la corriente de base del transistor de potencia se toma de la fuente de potencia lo que disminuye los requerimientos de corriente del control, pero se debe tener en cuenta que la presencia del transistor de mediana potencia entre el colector y la base del transistor de potencia Q1 provocan que la juntura JCB este polarizada inversamente, por ello en esta configuración el TBJ trabaja en cuasi-saturación incrementando la disipación de potencia. 2

L 2

FUENTE DE CONTROL

DFW

1 1

V1

R

R1

20Vdc

CONTROL

Q2

DIGITAL

V2

R2

20Vdc Q1

R3

0

0

Figura 2: Circuito de Conmutación de Potencia

Corriente negativa de apagado: A veces es necesario aplicar una corriente negati va temporal durante el apagado para reducir el tiempo de apagado evitando así una mayor disipación de potencia durante la conmutación. Para esto se debe diseñar un circuito especial que durante un intervalo de tiempo corto, en el orden de t o f f polarice inversamente con unos pocos voltios la juntura base - emisor. AlFigura 3: Corriente de Base Recomendada [ 1] gunos de estos circuitos son descritos en [1]. Laboratorio de Electrónica de Potencia

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Figura 2: Circuito con base no aislada [ 1] Figura 2: Circuito sin polaridad negativa [ 1]

Figura 4: Diodes de antisaturación [ 1]


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3. EQUIPOS Y M ATERI AL ES 3.1. EQUIPO (D ISPONIBLE EN EL L AB OR ATORIO) Osciloscopio Fuentes de Voltaje Variable Foco de 100W, 120V Inductancia Pinza Amperométrica

3.2. EQUIPO Transistor de Potencia Transistor de Mediana Potencia Diodo de rápida recuperación Diodo rectificador normal LM 555 Resistencias Varias

4. PREPARATORIO 1. Diseñar un control PWM en base a un LM555 [2]. Con un potenciómetro la frecuencia debe variar entre 1 kH z < f < 20kH z , de igual forma con otro potenciómetro la relación de trabajo debe variar entre 0,2 < δ < 0,8. 2. Diseñar el circuito de la Figura 2 si la fuente a usarse es de aproximadamente 40 V y la resistencia de carga es un foco de 100W. 3. Diseñar un circuito adicional en la base del TBJ para disminuir los tiempos de conmutación en el apagado. 4. Traer armado los circuitos diseñados.


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5. PROCEDIMIENTO 1. El instructor explicará las curvas características de un transistor que se desean comprobar. 2. Para el circuito diseñado en el literal 2 del trabajo preparatorio, pero con carga resistiva, observar formas de onda y comprobar que el elemento está trabajando en las regiónes de corte y saturación. 3. Con el módulo matemático del osciloscopio, multiplicar las ondas de voltaje y corriente para observar la curva de potencia disipada en el dispositivo. 4. Modificar la frecuencia y la relación de trabajo y rescate algunas observaciones sobre el desempeño del TBJ. 5. Tomar medida de los tiempos de conmutación para una frecuencia y relación de trabajo solicitadas por el instructor . Utilice el canal 1 del osciloscopio únicamente para observar el voltaje en la base; y el canal 2 para observar las formas de onda de corriente a través del TBJ, y luego el voltaje V C E . Con ayuda de la Figura 5 mida los tiempos de conmutación y los valores de voltaje y corriente necesarios para el cálculo de las pérdidas.

Figura 5: Respuesta dinámica para una carga resistiva [ 1]


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6. Tomar medida nuevamente de los tiempos luego de añadir el circuito que modifica la corriente de base que ayuda a la conmutación del TBJ. Rescate algunas observaciones. 7. Repetir lo anterior para una carga inductiva de la Figura 2. Para medir los tiempos de conmutación, utilice como referencia la Figura 6.

Figura 6: Respuesta dinámica para una carga inductiva [ 1]


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6. INFORME Calcular la potencia de disipación del TBJ para carga inductiva, considerando los dos casos de corriente de base. Compare los resultados entre las pérdidas medidas en el laboratorio, y las calculadas.

R E FERENCIAS [1] P. Marcelo Godoy Simoes, Power Electronics Handbook, Power Bipolar Transistors , 2011. [2] C. J. Savant and G. L. Carpenter, Diseño electrónico circuitos y sistemas.


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