TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNTURA (TBJ)
1. OBJETIVO 1.1. Diseñar el circuito de control para un transistor bipolar de juntura de potencia. 1.2. Conocer las características de conmutación del transistor bipolar de juntura. 2. MARCO TEÓRICO El transistor bipolar de juntura TBJ es un e lemento de tres terminales (Figura 4.1(a)), cada uno de ellos 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 4.1(b), la juntura c olector-base JCB y la juntura base-emisor JBE.
(a) (b) Figura 4.1 Las regiones de operación del transistor son: re gión 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 J CB y JBE están polarizadas inversamente. colector -emisor Región activa: el transistor actúa como un amplificador de corr iente y el voltaje colector-emisor VCE disminuye con el incremento de la corriente de base como se muestra en la Figura 5.2. La juntura JCB está en polarización inversa y la j untura JBE en polarización directa.
Región de saturación: la corriente de base es lo suficientemente alta para que el voltaje colectoremisor 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.
Figura 4.2 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 c onfiguración de emisor común la más utilizada en estas aplicaciones. Como se puede observar en la F igura 4.2, para entrar a la región de saturación la juntura JCB debe estar en polarización directa, caso contrario si está en polarización inversa, está en la re gión activa o en la región de corte por lo que el límite para entrar a la región de saturación es cuando VCB= 0 es decir VBE = VCE por lo que la corriente mínima requerida en la base para entrar en saturación estará dada por:
donde IC(sat) es la corriente de colector cuando VCE = VCE(sat)
Es recomendable diseñar el circuito para una cor riente mayor que IB(sat)min 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 I B e IB(sat)min se conoce como el factor de sobreexcitación ODF:
Y la relación entre IC(sat) e IB se conoce como la ganancia forzada :
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 necesa ria 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 e l circuito de control se vuelve considerable. 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 me diana potencia Q 2 se coloca de la manera indicada en la Figura 4.3, 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 Q 1 provocan que la juntura J CB este polarizada inversamente, por ello en esta configuración el TB J trabaja en cuasi-saturación incrementando la disipación de potencia.
Figura 4.3 (Darlington)
Corriente negativa de apagado: A veces es necesario aplicar una corriente negativa temporal durante el apagado para reducir el t iempo 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 o rden de toff polarice inversamente con unos pocos voltios la juntura base - emisor.
3. EQUIPOS Y MATERIALES 3.1. Equipo (Disponible en el laboratorio) Osciloscopio
Fuentes variables Foco de 100W @ 120V Inductancia
3.2. Materiales (proporcionados por los estudiantes) Transistor de potencia Transistor de mediana potencia Diodo de rápida recuperación Diodo rectificador normal LM555 Resistencia de un valor menor o igual a 1 Ohm Resistencias varias
4. PREPARATORIO 4.1 Diseñar y construir un control PWM e n base a un LM555 de 1 KHz con una fuente de 12 V. La relación de trabajo debe poder variarse de 0,3 a 0,7 aproximadamente.
4.2 Diseñar el circuito de la Figura 4.3 (solo usar darlington si es necesario) si la fuente a usarse es de aproximadamente 40 V (lo que se obte nga al poner en serie las dos salidas de las fuentes de laboratorio) y la resistencia de carga es un foco de 100W, (diseñar correctamente e l circuito que maneja la base). Tomar en cuenta que la resistencia en frío del filamento del foco es mucho menor y aumenta cuando se calienta a temperatura nominal.
4.3 Repetir lo anterior si se coloca en serie con el foco una inductancia (se proporcionar en el laboratorio) de manera de convertir la car ga en altamente inductiva. En este caso es indispensable usar un diodo rápido en anti paralelo con la carga (usar un FAST RECOVERY DIODE) que debe ser traído por los estudiantes.
4.4 Para los dos numerales anteriores dimensionar adecuadamente el transistor de potencia, adicionalmente colocar una resistencia de un valor inferior a 1 Ohm en el colector con la finalidad de poder observar simultáneamente el voltaje y la c orriente del transistor para visualizar las conmutaciones.
4.5 Traer armado los circuitos diseñados. 5. PROCEDIMIENTO
5.1 El instructor usando el módulo trazador de curvas disponible en el laboratorio mostrará las curvas características de un transistor.
5.2 Para el circuito diseñado en el punto 4.2 observar formas de onda y comprobar que el elemento está trabajando en las reg iónes de corte y saturación (JCB polarizada directamente), caso contrario corregir. Usar dos puntas de prueba en el osciloscopio, colocar la r eferencia de las dos puntas de prueba en el colector del transistor, el canal A en el emisor (invertir este canal), y el canal B al otro extremo de la resistencia de 1 Ohm, a una relación de trabajo aproximada de 0.5 t omar formas de ondas de corriente de colector (sobre la resistencia de menos de 1 Ohm) y voltaje colector emisor en función del tiempo y además tomar tiempos de conmutación con carga resistiva. Tomar también el tiempo que permanece saturado y en c orte el transistor para calcular luego la potencia. Con el módulo matemático del osciloscopio, multiplicar las ondas de voltaje y corriente para observar la curva de potencia disipada en el dispositivo (no todos los osciloscopios tienen esta facilidad). Poner el osciloscopio en formato XY (X=voltaje colector-emisor ; Y= corriente de colector tomada sobre la resistencia colocada en el co lector) y tomar la forma de las t rayectorias de las conmutaciones.
5.3 Repetir lo anterior para car ga inductiva con diodo de conmutación (FAST RECOVERY) como se menciona en numeral 4.3 . Verificar las diferencias con los datos obtenidos en el literal 5.2. . Verificar también los cambios cuando se usa un diodo común en lugar del diodo rápido, Verificar de manera especial el efecto de la corriente de recuperación reversa (Irr)
6. INFORME Calcular la potencia de disipación del transistor de potencia para los dos circuitos diseñados con los datos tomados en el laboratorio
7. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] MOHAN, Ned, Power Electronics: Converters, Applications and Design, John Wiley & Sons,1989. [2] RASHID Muhammad H., Electrónica de Potencia, Circuitos, Dispositivos y Aplicaciones. Segunda Edición, 1995.