Curso de Electrónica de Potencia – Parte 3 - Transistores de potencia bipolares (CUR2003S)

El transistor bipolar de potencia

Lo que diferencia a un transistor de potencia tipo bipolar de junción, de un transistor común, es su capacidad para trabajar con corrientes intensas o con altas tensiones, y en algunos casos con ambos.

Los con corrientes de colector superiores a 1 A se consideran normalmente transistores de potencia, y las tensiones de funcionamiento, es decir, las tensiones máximas que soportan entre colector y emisor pueden exceder de 1000 V.

En aplicaciones industriales encontramos estos componentes en varios tipos de equipos.

Se utilizan en fuentes de alimentación tanto de tipo lineal como conmutado, en la excitación de los relés, solenoides y en el control de otros tipos de cargas, en la conmutación y más.

Como se muestra en la figura 1, estos transistores están provistos de envolturas que facilitan la disipación del calor que generan.

 

   Figura 1 -  Transistores de potencia
Figura 1 - Transistores de potencia

 

 

Lo que pasa es que mediante la conducción de la corriente entre el colector y el emisor, que es la corriente controlada, el transistor tiene cierta resistencia.

En realidad, el propio nombre del componente indica eso. Transistor significa Transfer-resistor o resistor de la transferencia.

El se comporta como un resistor cuya resistencia puede variarse por una corriente de base.

Este calor es dado por el producto de la corriente que circula por el componente entre el colector y el emisor (Ice) por la tensión que aparece entre el colector y el emisor (Vce).

Así, si un transistor muestra una tensión de 2 V entre el colector y el emisor cuando impulsa una corriente de 3 A, en ese momento, está generando:

P = Ice x Vce

P = 3 x 2

P = 6 W de calor

 

 

Si este calor generado no se disipa, el transistor se calienta más allá de la temperatura máxima que soporta y con él se quema. El calor debe ser transferido al medio ambiente.

Se destacan dos tipos de cubierta: metálica y plástica.

El metálico más común es el TO-3 que se muestra en la figura 2, que tiene características para la fijación en un disipador de gran tamaño, usualmente utilizado por transistores con disipaciones superiores a 100 W.

 

  Figura 2 -  Cubierta TO 3
Figura 2 - Cubierta TO 3

 

 

Estos transistores usualmente tienen el terminal de colector conectado directamente a la cubierta para ayudar en la transferencia de calor, como se muestra en la figura 3.

 

Figura 3 – El colector está conectado a la cubierta
Figura 3 – El colector está conectado a la cubierta

 

 

Este hecho es importante, porque cuando montamos el transistor en un disipador, estará en contacto con él. Esto significa que si el disipador térmico se monta en un chasis con conexión a tierra, puede ser necesario aislarlo.

Para un montaje de colector aislado u otro elemento utilizado para disipar el calor, se utilizan accesorios adecuados.

En la figura 4 se muestra cómo utilizar un aislante para este fin.

 

    Figura 4 – Montaje de los transistores de potencia en el disipador térmico
Figura 4 – Montaje de los transistores de potencia en el disipador térmico

 

 

El material utilizado puede ser un plástico especial o mica que tiene una alta capacidad de aislamiento eléctrico, pero al mismo tiempo son excelentes conductores de calor.

Para un mayor rendimiento en la transferencia de calor es común impregnar el aislante en ambos lados con una pasta térmica a base de silicio.

En la figura 5 se muestra un aplicador de pasta térmica vendido en el comercio de componentes electrónicos.

 

Figura 5 – Aplicador de pasta térmica
Figura 5 – Aplicador de pasta térmica

 

 

Para los transistores con cubiertas de plástico, los más comunes son los TO-220 y TO-247, que se muestran en la figura 6.

 

Figura 6 – Cubiertas comunes para transistores de potencia plásticos
Figura 6 – Cubiertas comunes para transistores de potencia plásticos

 

 

El tamaño de la cubierta está directamente ligado a la capacidad de disipación del componente, que en este caso también tiene características para el montaje en un disipador térmico.

En estos transistores, el colector normalmente está conectado a la lengüeta ¨tab” o a la aleta metálica para facilitar la transferencia de calor.

Como se muestra en la figura 7, en el montaje en el disipador de calor, también se debe utilizar un aislante de mica o plástico especial impregnado con pasta térmica.

 

Figura 7 – Montaje de transistores de plástico en el disipador
Figura 7 – Montaje de transistores de plástico en el disipador

 

 

También hay transistores especiales para potencias extremadamente elevadas equipados con cubiertas capaces de manipular la potencia desarrollada.

En la figura 8 tenemos algunos transistores de potencia especiales con grandes cubiertas metálicas.

 

Figura 8 – Otras cubiertas para transistores de potencia
Figura 8 – Otras cubiertas para transistores de potencia

 

 

Destacamos en esta figura los tipos utilizados en RF que tienen los terminales de colector, emisor y base en las aletas. Estos transistores se utilizan en transmisores de radio así como en las máquinas industriales que generan las señales del RF (diatermia, soldadura, etc.).

Los transistores a 400 V o más usualmente tienen ganancias en el rango de 2 a 30 veces solamente.

Asimismo, los transistores para las altas corrientes tienen una frecuencia de funcionamiento máxima (véase más lejos como se especifica), relativamente bajo del orden de centenares de quilohertz o a lo más unos pocos megahertz.

Vemos este compromiso de ciertas características para obtener mejoras de otros en los transistores de potencia de RF, donde las frecuencias de operación son muy altas, pero las ganancias de corriente son bajas.

 

Darlington

Una manera de ganar mayor ganancia y también mayor capacidad de corriente para los transistores bipolares es haciendo su conexión con una forma de acoplamiento llamada Darlington.

En él, dos transistores están conectados en acoplamiento directo, de modo que el emisor del primer está conectado con la base del segundo y los colectores interconectados.

En funcionamiento, la señal se aplica a la base del primer transistor y se retira del emisor del segundo o colector en común, como se muestra en la figura 9.

 

   Figura 9 – El acoplamiento Darlington
Figura 9 – El acoplamiento Darlington

 

 

En esta configuración con transistores bipolares tanto del tipo NPN como PNP, se multiplica la ganancia de los transistores

Así que si conectamos transistores de ganancia 50 (Beta o hFE), la ganancia final será 50 x 50 = 250.

En la práctica, en lugar de usar dos transistores separados para obtener esta configuración, podemos utilizar los transistores Darlington prontos que están formados por dos transistores ya conectadas en esta configuración, en una sola cubierta e incluso con reemplazos de polarización como se muestra en la figura 10.

 

 

Figura 10 – Un transistor de potencia Darlington
Figura 10 – Un transistor de potencia Darlington

 

 

Las más comunes son las series TIP (TIP110, 115, 120, etc.) que son potenciadores, capaces de operar con altas corrientes y ganancias superiores a 1000. Los transistores de Darlington en la serie de BD son también comunes.

Una característica importante de los pasos de Darlington es su alta impedancia de la entrada e impedancia baja de la salida.

Analizando las características de los transistores bipolares, podemos tratar un Darlington exactamente como un transistor bipolar común, apenas observando que tiene una ganancia mucho más alta.

 

Materiales

Actualmente, los transistores de potencia más comunes encontrados en aplicaciones industriales y de control son silicio.

De hecho, las características del silicio como el bajo costo, la facilidad de obtención y otras facilitan su construcción, y esto lo observamos en la industria electrónica de una manera más amplia.

No sólo los transistores de potencia, sino muchos otros componentes como los circuitos integrados se basan en este material.

Sin embargo, al principio de la industria de semiconductores, otro material fue ampliamente utilizado en la construcción de transistores, incluyendo transistores de potencia. Esto es el germanio.

Por lo tanto, en aplicaciones más antiguas que eventualmente puede encontrar un transistor de potencia de germanio, como se muestra en la figura 11.

 

Figura 11 – Transistores de potencia de germanio
Figura 11 – Transistores de potencia de germanio

 

 

En la nomenclatura de europea, la letra "A" al principio de la denominación de tipo indica que el transistor es de germanio.

Por ejemplo, AD161 y AD162 son conocidos transistores de potencia de germanio hasta la fecha encontrados en algunos equipos en etapas de amplificación de audio, pequeños inversores, controladores, etc.

Por otro lado, BD136 y BD135 indican que son transistores de potencia de silicio.

Uno de los problemas del silicio como material semiconductor básico utilizado en la fabricación de transistores (y circuitos integrados) es la velocidad de los portadores de carga.

En el silicio y germanio los portadores de la carga (electrones y huecos) son lentos en lo referente a otros materiales tales como el GaAs (Arseneto de Galio) y GaN.

Así, los transistores de alta potencia con la capacidad de operar en altas frecuencias, tales como los utilizados en radiotransmisores, osciladores en aplicaciones industriales, hacen uso de estos transistores.

 

Figura 12 - Transistores de GaN de potencia capaces de operar en frecuencias superiores a 10 GHz.
Figura 12 - Transistores de GaN de potencia capaces de operar en frecuencias superiores a 10 GHz.

 

 

Transistores de potencia SMD

Mientras que la mayor preocupación al pensar en la tecnología de montaje en superficie (Surface Mounting Tecnology - SMT) en qué componentes para el montaje superficial (Surface Mounting Devices o SMD) se utilizan, o con tamaño, hay también los componentes de la energía disponibles.

Se pueden encontrar transistores de potencia, por supuesto, con capacidades de disipación mucho más pequeña que los equivalentes y envolturas comunes.

Como se muestra en la figura 13, estos componentes tienen los recursos para ayudar a disipar el calor, ya sea un pequeño radiador, o incluso soldándose en una área cobreada más grande de la placa.

 

   Figura 13 – Transistores de potencia SMD
Figura 13 – Transistores de potencia SMD

 

 

El área cubierta entonces funciona como un disipador térmico, ayudando a eliminar el calor generado por el componente.

Sin embargo, en la práctica lo que vemos es el uso de transistores de potencia comunes dotados de disipadores térmicos en los tableros donde los otros componentes son SMD, ya que si no se puede obtener la disipación que desea con un componente SMD, como se muestra en la figura 14.

 

Figura 14 – SMD y componentes comunes en una placa
Figura 14 – SMD y componentes comunes en una placa

 

 

SOAR o SOA

Estas siglas son de vital importancia para aquellos que trabajan con los transistores de energía.

SOAR significa Safe Operating Área Región o Región del Area de Operación Segura, mientras que SOA significa Safe Operatign Área o Area de Operación Segura.

Explicaremos en detalle lo que SOA o SOAR significan para las especificaciones de un transistor de potencia.

Cuando decimos que un transistor como 2N3055 tiene una corriente de colector máxima de 15 A y soporta una tensión máxima de 100 V entre el colector y el emisor, esto no significa que podemos utilizar este componente en estos límites.

 

   Figura 15 – De el datasheet  del 2N3055
Figura 15 – De el datasheet del 2N3055

 

 

Esto puede conducir al pensamiento menos informado de que si conectan este componente a una carga apropiada que recibe los 100 V y 15 A del transistor, tendrán una potencia disponible de 1 500 W (15 x 100).

No es cierto, porque además del transistor sólo se puede disipar 115 W, hay límites que hay que respetar. El máximo 15 A sólo está disponible en un determinado rango de tensionese de funcionamiento del transistor.

De la misma manera, sólo podemos tener 100 V entre el colector y el emisor (Vcbomax) en condiciones especiales.

¿Cómo entonces usted sabe cómo utilizar el transistor en la corriente y la tensión deseados?

Para ello, los fabricantes en sus fichas técnicas proporcionan un grafico llamado SOA o SOAR que indica precisamente las condiciones operacionales del transistor de forma segura.

En la figura 16 tenemos precisamente este gráfico elaborado de forma simplificada para el 2N3055, que es el transistor que tomamos como ejemplo.

Es importante tener en cuenta que el gráfico está hecho para una temperatura máxima del componente de 70 º C. eso significa que por encima de esa temperatura el componente tiene su características deteriorando rápidamente.

 

Figura 16 – Gráfico SOAR para el 2N3055
Figura 16 – Gráfico SOAR para el 2N3055

 

 

Como podemos ver, la región de la corriente máxima de 15 A sólo se aplica para las tensiones bajas entre el colector y el emisor, hasta aproximadamente 6 o 7 V. (una curva más baja)

Después de eso, la corriente máxima comienza a caer y alrededor de 100 V es ya menos de 1 A.

Es por eso que muchos lectores nos escriben "no entendiendo" por qué en una sola fuente de 12 V x 10 A usamos tres 2N3055 en paralelo (3,3 a para cada uno) cuando uno de ellos podría ser suficiente.

Vea por el gráfico que, en 12 V, la corriente máxima que un 2N3055 podría operar no es mucho mayor que 5 A.

Dando una tolerancia, de modo que el límite de la disipación no se alcanza, esto justifica el uso de tres transistores en la fuente.

En el gráfico tenemos una segunda curva que sirve para indicar el comportamiento del componente bajo régimen pulsante (en un control PWM, o en una fuente conmutada, por ejemplo).

Con pulsos de 100 us, por ejemplo, el transistor puede ir más allá en términos de corriente máxima, acercándose a los 10 V para una corriente de 15 A, pero vemos que alrededor de 12 V esta corriente ya cae a algo alrededor de 10 A.

Actualmente, los transistores de potencia encuentran una gama enorme de usos en la excitación de motores de paso, de inversores, de PWM, de fuentes conmutada, etc., que los toma en la mayoría de los casos la operación con pulsos.

Sin embargo, para asegurarse de que operan con seguridad dentro del área delimitada por la curva SOA uno debe estar atento cuando hacemos un proyecto, o cuando elegimos un transistor para reemplazar otro en una aplicación dada.

 

Segunda Ruptura

Cuando polarizamos una unión del semiconductor en revés, por ejemplo, un diodo, viene un instante cuando puede ya no aislar la tensión aplicada y con ella una ruptura ocurre.

La juntura pierde sus propiedades aislantes y se convierte en conductor, fluyendo una corriente intensa que normalmente causa la quema del componente. Esto se denomina ruptura inversa o primera ruptura.

Otros componentes, como los diodos Zener, aprovechan esta tensión de ruptura para mantener la tensión de sus terminales, operando con intensidades que no causan su quema.

Sin embargo, para los transistores de potencia, hay un fenómeno que ocurre cuando la juntura se polariza en la dirección directa (en la conducción) y eso se demuestra en algunas curvas de SOA, siendo llamado SB o segunda ruptura o en inglés "Second breakdown".

En la figura 17 tenemos una curva SOA la cual esta segunda ruptura es mostrada.

 

 

Figura 17 – Segunda ruptura o
Figura 17 – Segunda ruptura o "second breakdown”

 

 

Esto es un fenómeno que ocurre en una juntura de un transistor de potencia (y otros componentes también) cuando la tensión, la corriente y la disipación de la potencia son altas, pero todavía debajo de los límites permitidos para la operación segura.

Lo que pasa es que en un transistor ideal, cuando en la conducción se espera que la corriente del colector se distribuya uniformemente en el área correspondiente de la pastilla de silicio, y con que la potencia generada también distribuye de manera uniforme.

Sin embargo, en la práctica esto no es lo que sucede. Puede haber pequeñas áreas donde la corriente es más alta por lo que los puntos calientes o “hot spots” si adoptamos el término en inglés.

Cuando el componente conmuta, tanto en el momento en que se enciende y se apaga, estos puntos calientes que se forman pueden causar su quema,

El fenómeno se debe al hecho de que los portadores minoritarios del material semiconductor tienen un coeficiente de resistencia negativo en relación a la temperatura, es decir, su resistencia disminuye cuando la temperatura aumenta.

Para evitar la segunda ruptura hay importantes cuidados que deben observarse en el uso de los Transistores, y otros componentes que pueden manifestar el problema.

 

a) Mantener la disipación dentro de los límites determinados por las características del componente

b) Utilice un snubber para evitar la disipación excesiva en los momentos en que el componente conmuta

c) Cuide que el componente opere dentro del área de operación segura.

d) Observe en la calidad del transistor si se fabrica con una tecnología que permita una distribución uniforme de la corriente para evitar el problema

e) Trabajar en el proyecto con una polarización base que ayuda a reducir rápidamente la corriente en el componente en el desligamiento.

 

Deriva térmica

Cuando estudiamos dinámica (física) aprendemos que hay tres maneras de que un cuerpo esté en equilibrio estático y que se muestran en la figura 18.

 

Figura 18 - Formas de equilibrio de un cuerpo: (a) indiferente, (b) estable y (c) inestable.
Figura 18 - Formas de equilibrio de un cuerpo: (a) indiferente, (b) estable y (c) inestable.

 

En la primera condición tenemos el llamado equilibrio indiferente (a), pues en cualquier posición del plano en que la esfera sea colocada seguramente podrá quedar parada, sin problemas, en una condición de equilibrio estático. En la segunda, tenemos una condición de equilibrio estable (b) que se logra solamente en la posición más baja del canal.

Si intentamos sacar la esfera de esta posición, colocándola en otra, no se queda y tiende a volver a la posición original. Finalmente, tenemos una condición de equilibrio inestable (c) que es justamente la que va a servir de punto de partida para el estudio de nuestro problema electrónico.

En esta condición la esfera queda equilibrada, pero de modo muy crítico en la posición indicada. Sin embargo, cualquier movimiento, por pequeño que sea, para un lado o para otro que tienda a desplazar la esfera de esta posición, hace que entren en acción fuerzas que llevan a esa esfera a alejarse rápidamente del equilibrio para nunca volver de manera espontánea. En la electrónica ocurre un fenómeno que puede ser analizado de manera análoga: la deriva térmica.

 

Pasando para la electrónica

Todos los componentes electrónicos son bastante sensibles a los cambios de temperatura. Por menores que sean, los cambios de temperatura acaban por afectar las características de la mayoría de los componentes de modo acentuado. Los transistores, diodos y semiconductores en general, tienen sus corrientes de fuga aumentadas sensiblemente cuando la temperatura de sus junciones aumenta, como muestra la figura 19.

 

Figura 19 - Efecto de la temperatura sobre la corriente de fuga (Iceo) de un transistor.
Figura 19 - Efecto de la temperatura sobre la corriente de fuga (Iceo) de un transistor.

 

En otras palabras, la resistencia en el sentido inverso de las junciones de los semiconductores disminuye cuando la temperatura aumenta. Sin embargo, componentes, como un resistor de hilo, poseen coeficientes positivos de temperatura, o sea, su resistencia aumenta cuando la temperatura aumenta.

Pero, podemos hablar también de los NTC (Negative Temperature Coefficient) que son componentes cuya resistencia disminuye con el aumento de la temperatura, como muestra la figura 20.

 

Figura 20 - Respuestas no lineales de algunos dispositivos en función de la temperatura.
Figura 20 - Respuestas no lineales de algunos dispositivos en función de la temperatura.

 

En un circuito electrónico como, por ejemplo, una etapa de salida de audio de un radito transistorizado o de un amplificador de pequeña potencia del tipo que se muestra en la figura 21, las corrientes de reposo se fijan de un modo crítico a una condición de funcionamiento que se considera una temperatura normal.

 

Figura 21 - Corrientes de reposo típicas en una etapa de salida de un amplificador complementario típico de potencia
Figura 21 - Corrientes de reposo típicas en una etapa de salida de un amplificador complementario típico de potencia

 

En la práctica, las temperaturas de los componentes de este circuito varían, tanto en función de la temperatura de los locales en que funcionan como también por el propio calor generado que depende del modo de su funcionamiento. Cuando se requiere a la plena potencia, el transistor tiende a generar más calor y con ello a calentarse a punto de cambiar las condiciones de funcionamiento ideales del propio circuito en que se encuentra.

De la misma forma que la esfera en las condiciones de equilibrio que tomamos como ejemplo, el funcionamiento de una etapa de este tipo puede tender a tres condiciones. Los componentes pueden tener características tales y estar conectados de tal forma que, sin importar la temperatura de operación (dentro de un rango de valores que no implique en su destrucción) un eventual aumento de una resistencia sea compensado por la alteración de otra para mantenerla constante las corrientes y por lo tanto la polarización del circuito.

En este caso, no se alteran las cantidades de calor generadas por los componentes y el equilibrio térmico del aparato puede considerarse indiferente. La complejidad de la mayoría de los circuitos, tanto en función de la elevación de la temperatura como del número de componentes y de la variedad de comportamientos que no son lineales con la temperatura, hace que esta condición sea muy difícil de obtener.

En el caso de que se produzca un cambio en la calidad del producto, Sin embargo, lo que se vuelve peligroso para la integridad de un aparato, es que podemos tener una condición de equilibrio inestable. Tomemos por ejemplo un paso de salida de un amplificador de audio en push-pull, conforme la configuración mostrada en la figura 22.

 

Figura 22 - Paso de salida en push-pull con dos transistores.
Figura 22 - Paso de salida en push-pull con dos transistores.

 

Los componentes que polarizan las bases de los transistores se calculan para un valor que produzca una corriente de reposo que no comprometa los transistores de salida y que al mismo tiempo con la aplicación de una señal de audio tengamos una amplificación con el rendimiento y la fidelidad deseados .

Supongamos, sin embargo, que por algún motivo el amplificador sea llevado a una operación en un lugar de temperatura mayor que la prevista como normal. Esto puede ser agravado por una condición de ventilación deficiente (alguien colocó algunos discos justamente tapando los agujeros de ventilación del aparato sobre la caja, cosa muy normal para este tipo de equipo).

Con la elevación de la temperatura aumenta la corriente de fuga de los transistores que se suma con la corriente de base. El resultado es que la corriente de colector es determinada por la corriente de base y con el aumento de la primera, el resultado es un aumento de la corriente de colector en condición de reposo. El aumento de la corriente de colector tiene una consecuencia importante: hace que el transistor genere más calor, y él tiene que disipar este calor.

Para disipar más calor, el transistor se calienta más y el resultado de la elevación adicional de la temperatura no podría ser otro: aumenta la corriente de fuga que se suma a la corriente de base. El efecto es similar al de una "bola de nieve" aumentando la corriente de base aumenta la de colector; aumenta la temperatura y nuevamente la corriente de base y el resultado final no podría ser otro: la corriente en el componente se vuelve tan intensa y el calor generado, que la quema es inevitable!

En el caso de que el proceso vaya tomando cuerpo, con una "deriva térmica" que haga el circuito huir de las condiciones ideales de funcionamiento llevando los componentes más sensibles a la quema. Para un circuito como este es necesario agregar recursos que impidan que este fenómeno ocurra.

Un modo simple de compensar los efectos de la elevación de la temperatura que tiende a aumentar la corriente en los transistores se logra con el uso de un termistor o NTC conectado como se muestra en la figura 23.

 

Figura 23 - Usando un NTC para estabilizar térmicamente un paso de salida transistorizada.
Figura 23 - Usando un NTC para estabilizar térmicamente un paso de salida transistorizada.

 

 

El termistor o resistor con coeficiente negativo de temperatura (Negative Temperature Coefficient) es un componente que, según el nombre dice, disminuye de resistencia cuando la temperatura aumenta. Conectado entre la base del transistor y el emisor (a través del devanado del transformador) tiende a disminuir la tensión de polarización y con ello reducir la corriente de base cuando la temperatura aumenta.

Ahora bien, esto hace que la corriente total en el transistor se mantenga y no tiende a calentar más. En los amplificadores de potencias elevadas con transistores conectados en la configuración en simetría complementaria o cuasi-complementaria, tenemos otras dos posibilidades para mantener el equilibrio térmico y con ello evitar la deriva técnica. Estas posibilidades se muestran en los circuitos de la figura 24.

 

Figura 24 - Estabilización de funcionamiento con diodos de silicio.
Figura 24 - Estabilización de funcionamiento con diodos de silicio.

 

Se utilizan diodos comunes de silicio para polarizar las bases de los transistores de tal forma que su resistencia disminuye con el aumento de la temperatura. En realidad, lo que ocurre es una elevación de la corriente en estos componentes cuando la temperatura aumenta y así tenemos un efecto similar a los obtenidos por los NTC.

La gran ventaja de esta configuración es que los diodos intrínsecamente tienden a mantener entre sus terminales la misma tensión base - emisor que necesitamos para polarizar el transistor. Algunos amplificadores de potencias elevadas hacen lo mismo, pero usando un transistor de uso general de baja potencia como sensor, como muestra la figura 25.

 

Figura 25 - Aprovechando las características térmicas de un transistor para estabilizar la temperatura de una etapa de salida.
Figura 25 - Aprovechando las características térmicas de un transistor para estabilizar la temperatura de una etapa de salida.

 

Para "sentir" la temperatura de los transistores de salida, que son justamente los que deben disipar más calor y por eso operan en los límites llevando la deriva térmica a ser un elemento de gran peligro para su integridad, el montaje del sensor (transistor) se hace en el propio disipador de calor, como muestra la figura 26.

 

Figura 26 - Montaje del transistor sensor en el disipador del transistor de salida de potencia.
Figura 26 - Montaje del transistor sensor en el disipador del transistor de salida de potencia.

 

Los transistores usados como sensores en este caso se pegan con epoxi u otro adhesivo fuerte en el disipador de calor de los transistores de salida del amplificador. La operación de este "sistema de seguridad" es simple: cuando aumenta la temperatura y la corriente de colector de los transistores de potencia también tiende a aumentar; también aumenta la conducción del transistor usado como sensor, desviando así la corriente de base que se reduce automáticamente.

En estas condiciones, la corriente de polarización disminuyendo, también se reduce la corriente entre el colector y el emisor y con ello la potencia desarrollada en el transistor, responsable por la elevación de su temperatura. Pero, no es sólo con circuitos transistorizados que este problema puede ocurrir.

En realidad, con los circuitos integrados, el problema puede ser considerado aún más grave, pues todos los componentes están en una misma pastilla de silicio y cualquier calentamiento excesivo de uno de ellos se refleja inmediatamente en las características de los demás.

De esta forma, un cuidado especial se toma en los proyectos, principalmente de los circuitos integrados que trabajan con corrientes elevadas, en el sentido de agregar protecciones internas térmicas que evitan el problema de la deriva, compensando cualquier problema de elevación excesiva de corrientes por la elevación de la temperatura. Los circuitos integrados reguladores de tensión, por ejemplo, poseen configuraciones internas que evitan que la corriente aumente si la temperatura se eleva y en algunos casos ellos hasta hacen el corte total de la corriente de salida cuando esta temperatura sobrepasa un valor considerado peligroso. El 7805, mostrado en la figura 27, es un ejemplo de circuito integrado con estos recursos.

 

 Figura 27 - Curva de tensión de salida en función de la temperatura para un circuito integrado 7805.
Figura 27 - Curva de tensión de salida en función de la temperatura para un circuito integrado 7805.

 

Para los amplificadores de audio integrados, también tenemos circuitos internos de protección contra los problemas causados ??por la deriva térmica. Estos circuitos evitan la quema en caso de una tendencia de aumento de las corrientes que provocaría un calentamiento excesivo del componente. Los microprocesadores, que normalmente trabajan en las condiciones límite de disipación de calor, existen recursos adicionales.

Los sistemas sensores detectan elevaciones anormales de temperatura, apagando los sectores que son responsables de la generación de calor o aún reduciendo la velocidad de operación de modo que menos calor sea generado.

 

Especificaciones

Ya hemos tratado con los principales símbolos también en nuestro Curso de Electrónica - Electrónica Básica y en nuestro libro Fórmulas para Electrónica-Vol. 1

Sin embargo, podemos recordar el principal rápidamente y partir específicamente para los símbolos y especificaciones que encontramos en las datasheets de transistores de potencia.

Para tensiones, corrientes y potencias, usamos P, I y V, cuando estas magnitudes son continuas, esto es, no varían. Es común utilizar letras en minúsculas para especificar los valores de la instantánea.

También usamos e letra "O“ para indicar cuándo está abierta la tercera terminal del componente, en relación con la que se hace la especificación.

Por ejemplo, Vce significa la tensión entre el colector y el emisor, pero Vceo, significa la misma tensión, pero con el terminal de base (que es el tercer terminal) abierto, porque "O" viene de open (abierto en inglés).

Del mismo modo, se indica si la especificación es un mínimo o un máximo para abreviaturas min y máx.

Aunque existen normas en nuestro país para la elaboración de los datasheets y hojas de datos, en la mayoría de los casos, cuando consultamos la información sobre componentes, se encuentran en un documento que no fue producido en nuestro país.

En las líneas siguientes de este capítulo vamos a analizar las principales especificaciones para transistores de potencia, con su significado y un breve comentario explicando su uso y donde son encontradas.

Si bien que existen normas para establecer cómo se utilizan los parámetros para los transistores y otros componentes, las variaciones se producen de un país a otro y del fabricante al fabricante.

Las que veremos a seguir son las principales, sirviendo como punto de partida para los lectores que deseen ir más allá y también para posibilitar un uso seguro dos componentes envueltos.

 

Parámetros Generales

Estos indican algunas características en relación con las magnitudes eléctricas, tales como:

 

Número o Tipo

Esto es la codificación que el fabricante utiliza para designar el componente. Para los transistores podemos utilizar la nomenclatura americana en la que los transistores empiezan con la denominación "2N" (2N3055, 2N2222, etc.), la nomenclatura japonesa "2S" (2SA2543, 2SB3321, 2SC2856, etc.), y la nomenclatura europea (que es la que se adopta en Dado por el código Pro Electrón.

La nomenclatura americana es normalizada por la JEDEC Solid State Technology Association, que consiste en un Consejo que establece los estándares para los dispositivos de estado sólido.

JEDEC es el acrónimo para Joint Electron Device Engineering Council.

En este código, las letras iniciales del tipo de componente dan muchas indicaciones al respecto, siendo importante conocerla. Repasemos cada uno de los códigos:

 

Código Pro-electrón

Este código se utiliza en la identificación de semiconductores que se adoptan principalmente en Europa.

El código consta de dos o tres letras seguidas de un número de serie (sufijo) con el siguiente significado:

La primera letra indica el material utilizado en la fabricación del componente, como se muestra en la siguiente tabla:

A = material con banda prohibida de 0,6 EV a 1,0 EV, como el ejemplo más común de germanio (GE)

B = material con una banda prohibido de 1,0 a 1,3 EV como silicio (si)

C = material con ancho de banda prohibida por encima de 1.3 EV como arseniuro de galio (GaAs)

D = material con un ancho de banda prohibida inferior a 0,6 EV como

InSb

E – materiales compuestos como los utilizados en sensores de efecto Hall, sensores, misceláneos, etc.

 

La segunda letra indica el balneario del dispositivo de acuerdo con la guía de la tabla:

A: Diodo detector, conmutador o mezclador del RF

B: Varicap

C: Transistor, AF, pequeñas señales

D: Transistor, AF, potencia

E: Diodo túnnel

F: Transistor de alta frecuencia, pequeña señal

G: Multichips

K: Dispositivo de efecto Hall

L: Transistor, HF, energía

M: Dispositivos Hall

N: Acoplador óptico

Q: Dispositivo sensible a la radiación (fotodiodo, por ejemplo)

Q: Dispositivo que produce radiación (LED, por ejemplo)

R: Tiristor, energía baja

S: Transistor para la conmutación

T: Tiristor, Energía

U: Transistor, energía, conmutación

X: Diodos múltiples, varistores, recuperación rápida

Y: Rectificador

Z: Zener, o diodo regulador de tensión

 

La tercera letra indica que el dispositivo es conveniente para los usos industriales o profesionales, así como comerciales. El sufijo es generalmente W, X, Y, o Z.

El número de serie va de 100 a 9999. Un sufijo adicional usualmente determina el rango de ganancia, como en las normas JEDEC.

 

Ejemplos:

BC548A – transistor de silicio de baja potencia con rango A de ganancias

BAW68 – diodo para aplicaciones profesionales en RF

BD135 – transistor de silicio de potencia

BF494 – transistor de silicio de baja potencia para RF

 

Los códigos específicos se utilizan para diodos rectificadores y diodos Zener, analizados en el capítulo anterior.

 

JEDEC

El código JEDEC está definido por norma EIA RS-236-B junio de 1963.

Se utiliza un número, seguido de la letra N y una sucesión alfanumérica que indica el componente específicamente. Como ya hemos visto, usamos 1N para los diodos y 2N para los transformadores, la N que indica que el material utilizado es silicio.

En este código, para diodos también es posible utilizar un código de color. En él, las pistas indican el número que sigue al 1N, según la misma codificación utilizada para los minoristas con los términos adicionales también una posible carta, según la tabla.

Primer caso: un cinturón negro seguido de dos pistas que representan un dígito cada uno, de acuerdo con la tabla de abajo, y si hay una letra como sufijo que se da por la cuarta pista, de acuerdo con la misma tabla.

 

Segundo caso: la secuencia de tres dígitos, según la tabla y si hay un sufijo, será impartido por la pista de la cuarta.

Tercer caso: secuencia de cuatro dígitos según la tabla que indica la quinta letra en conforme de la misma tabla.

 

Letra-ABCDEFGH 

Dígito Letra  Cor
0 - Negro 
1 A Marrón 
2 B Rojo 
3 C Laranja 
4 D Amarilo 
5 E Verde 
6 F Azul 
7 G Violeta 
8 H Cinza 
9 - Blanco 

 

La lectura es hace de cátodo a ánodo.

 

JIS

JIS es el acrónimo para Japanese Industrial Standard, siendo la norma adoptada por los fabricantes japoneses del semiconductor.

La norma que fija la designación del semiconductor es el JIS-C-7012 donde el primer dígito indica el número de juntura (2 para los transductores y 3 para el FETs del doble se comportan, por ejemplo).

A continuación, tenemos la letra S y luego otra carta con el significado dado por la siguiente tabla:

En algunos casos, las primeras letras se pueden omitir en la cubierta del componente. Por ejemplo, un transistor 2SD965 puede venir con simplemente D965.

Hay que tener cuidado, porque la marca D965 puede confundirse con BD965.

 

Otras Normas

Además de estos, también podemos encontrar los componentes antiguos cuando el servicio de los equipos que se especifican por sus propios estándares. Además, muchas empresas siguen comercializando tales componentes.

Una de las normas que todavía podemos encontrar es la del sistema de CV británico también conocido como el antiguo estándar europeo.

En él tenemos dos o tres letras seguidas por un número de serie.

La primera letra es O, indicando que es un dispositivo semiconductor. La segunda y tercera letra indica la categoría de dispositivo como:

A - diodo

AP - fotodiodo

AZ – diodo Zener

OC y OD - transistores

 

Ejemplo:

OA70 – diodo semiconductor

OC74 - transistor

 

 

Cubierta

Los transformadores de potencia, así como todos los componentes electrónicos, tienen cubiertas propias que son especificadas por los fabricantes a través de códigos.

Básicamente se utilizan dos designaciones principales: seguir tres cifrados para componentes discretos comunes o con terminales y SOT seguidos de tres cifrados para componentes SMD.

Vea que estos códigos no dicen mucho sobre la disposición de los terminales que es específico a cada componente. Es común asociar siempre el terminal central a la base de un transistor, cuando de hecho, para los transistores de energía es común que el terminal medio sea el colector.

En la figura 28 ejemplos de transistores de potencia en cubiertas metálicas y plásticas.

 

Figura 28 – Envolturas comunes para transistores de potencia
Figura 28 – Envolturas comunes para transistores de potencia

 

 

Ver que es común tener sufijos para el mismo componente que pueden indicar una variación de la carcasa como, metálico, plástico, con diferentes terminales de disposición, etc.

 

 

Polaridad

Para los transformadores bipolares podemos tener dos tipos, según la polaridad. NPN y PNP. Esta especificación debe ser conocida para que podamos utilizar el componente en un proyecto.

 

Especificaciones de magnitudes eléctricas

Los símbolos y términos correspondientes que daremos a continuación son los principales y son válidos no sólo para los transformadores de potencia, sino también para otros tipos de transistores, SCRS, Triacs, diodos y mucho más.

Por esta razón, este artículo ya no se repetirá en los capítulos futuros de este libro.

 

Cibo - Capacitancia de entrada con la base abierta (ya vimos que la letra "o" al final del símbolo indica que el circuito está abierto. Para los transistores es la capacitancia entre la base y el emisor, con el colector apagado. Esta capacitancia influye bastante en la velocidad de conmutación del dispositivo.

 

Cibo - Capacitancia de entrada con la base abierta (ya vimos que la letra "o" al final del símbolo indica que el circuito está abierto. Para los transistores es la capacitancia entre la base y el emisor, con el colector desconectado. Esta capacitancia influye bastante en la velocidad de conmutación del dispositivo.

 

ft- Frecuencia de transición - Hay una definición compleja de esta especificación, pero para los lectores que todavía están estudiando, podemos decir que se trata de la frecuencia en la que la ganancia del transistor se vuelve unitaria, o sea, la máxima frecuencia en que puede ser utilizado como amplificador.

 

hFE - Ganancia estática de corriente o la relación entre la corriente DC de colector y la corriente de emisor. Ver que, para las especificaciones estáticas, las siglas se dan en mayúsculas "FE". (también dado por Beta - β)

 

h - aumento de señal para pequeñas señales o la relación entre la intensidad de una corriente AC de colector y la corriente AC de base para pequeñas señales. Vea el "fe" minúsculo para indicar que se trata de una grandeza para señal, o una intensidad que varía con el tiempo.

 

Otras especificaciones para los parámetros híbridos (hxx) se pueden ver en nuestro libro Fórmulas para Electricidad y Electrónica – volumen 1

 

   IB - Corriente dc en el terminal de base el transistor

   IC - Corriente dc en el terminal de colector del transistor

   IE - Corriente dc en el terminal de emisor del transistor

   Ib - Valor rms de la corriente AC en el terminal de base del transistor.

    Ic - Valor rms de la corriente AC en el terminal de colector del transistor

    Ie - Valor rms de la corriente AC en el terminal de emisor del transistor

    iB - Valor instantáneo de la corriente AC en el terminal de base del transistor.

    iC - Valor instantáneo de la corriente AC en el terminal de base del transistor

    iE - Valor instantáneo de la corriente AC en el terminal de emisor del transistor

    ICBO - Corriente entre colector y base con el emisor abierto

    ICEO - Corriente entre colector y emisor con la base abierta

 

    La condición en que la especificación es hecha es dada por la tercera letra del símbolo, y que como ya vimos, tenemos el "o" para indicar (open), o el tercer terminal abierto. Otras letras tienen el siguiente significado:

 

   R - retornado al terminal emisor a través de una resistencia específica.

   S - circulado al terminal de emisor

   V - retornado al terminal de emisor a través de una tensión específica

   X - devuelto al terminal de emisor a través de un circuito específico

   Estas especificaciones se determinan mediante la norma IEEE255

 

   De esta forma continuamos con:

   ICER - Corriente entre colector y emisor con una resistencia entre base y emisor.

   ICES - Corriente entre colector y emisor con la base cortocircuitada al emisor.

   ICEV - Corriente entre colector y emisor con una tensión especificada aplicada entre la base y el emisor.

   ICEX - Corriente entre el colector y el emisor con un circuito especificado conectado entre la base y el emisor.

   ICM - Corriente de pico de colector

   PTOT - Disipación total de potencia. Normalmente se especifica para una temperatura ambiente de 25º C. Es la potencia máxima que el componente se disipa de forma segura.

   Tj - Temperatura de la unión - es la temperatura máxima que la unión del transistor puede alcanzar sin peligro de daño.

 

   - Es la temperatura ambiente considerada en la especificación, normalmente 25º C para la mayoría de los casos.

   Tstg - Temperatura máxima de almacenamiento (stg = storage)

   Vbb, Vcc, Vee - Tensión de alimentación

  Vbc, Vbe, Vce - Tensión entre los terminales indicados - valor positivo cuando en el orden indicado y negativo en el orden inverso. Por lo tanto, un valor negativo indica normalmente un transistor PNP.

   VBE (Sat) - Tensión de saturación entre base y emisor - es la tensión que hace que la unión base-emisora conduzca la corriente a punto de saturar el transistor

 

   Además de estas, existen otras especificaciones que involucran tiempos y temperaturas, importantes tanto para el dimensionamiento de disipadores y también para operación en régimen pulsante (PWM, osciladores, inversores, etc.) y que serán vistas oportunamente.

 

Transistores de alta tensión

En aplicaciones que impliquen altas tensiones, se deben utilizar transistores bipolares especiales.

Estos transistores poseen pastillas que se construyen para que las altas tensiones entre el colector y el emisor sean compatibles, y los valores pueden llegar a más de 1 000 V.

Sin embargo, cuando optimizamos un transistor para que pueda operar con estas tensiones, se sacrifican otras características, como la ganancia y el rango de Frecuencias en el que pueden operar.

Por lo tanto, es común que estos transistores tengan ganancias tan bajas como 2 a 10 veces solamente, y su operación máxima no Frecuencia exceder unas pocas decenas de 1 kHz.

En cualquier forma, es importante notar que estos transistores también tienen límites de operación seguros dados por la curva SOA, que ya hemos estudiado en este capítulo, lo que significa que no se puede alcanzar tanto la tensión máxima como la corriente máxima especificada Simultáneamente.

Semejantemente, como cualquier transistor la ganancia disminuye con la corriente del colector. En la figura 29 tenemos un ejemplo de la curva de degradación de ganancia de un transistor común.

 

Figura 29 – Pérdida de ganancia con corriente de colector
Figura 29 – Pérdida de ganancia con corriente de colector

 

 

Vea que la ganancia máxima se produce con aproximadamente 1/10 de la corriente máxima del colector.

Por esta razón, cuando se especifica la ganancia de un transistor en una hoja de especificaciones, indica a qué intensidad de corriente es válida.

 

 


 

Contenido 

Parte 1 - Unidades - Energía (CUR2001S)

Parte 2 – Diodos (CUR2002S) 

Parte 3 - Transistores de potencia bipolares (CUR2003S)

Parte 4 - MOSFETs de Potencia (CUR2004S)

Parte 5 - Los IGBTs (CUR2005S)

Parte 6 - Tiristores – El SCR (CUR2006S)

Parte 7 - Tiristores - El Triac (CUR2007S)

Parte 8 – Tiristores – Otros Dispositivos (CUR2008S)