Disciplina: Eletrônica de potência

Professor: Celton Ribeiro Barbosa

Transistor Bipolar de potência

1

2

Introdução• Desenvolvido na Bell

Laboratories por Shockley,Bardeen e Brattain em1947.

• Vatangens em relação á válvulas:

– Menor e mais leve;

– Não necessitava de aquecimento;

– Estrutura mais robusta e eficiente;

– Funcionava com tensões de operação mais baixas

2

Construção do transistor

3

• Dispositivo semicondutor com 3 camadas

Emissor

Base

Coletor

Construção do transistor

4

• A camada do emissor (E) éfortemente dopada enquantoque as demais (Coletor eBase) são fracamente dopadas

• Camadas externas possuemlarguras maiores que asinternas (razão 150:1)

Operação do transistor

5

Figura 6. Polarização de um transistor: (a) direta; (b) reversa

6

Operação do transistor

• A corrente 𝐼𝐵 é pequena, pois acamada é muito fina e acondutividade é baixa(Resistência alta).

• Os portadores majoritários domaterial do tipo p são osminoritários do tipo n.

• A corrente de recuperaçãoreversa ( 𝐼𝑠 ) é formada porportadores minoritários;

• TODOS OS PORTADORESMINORITÁRIO NA REGIÃO DEDEPLEÇÃO ATRAVESSARÃO AJUNÇÃO POLARIZADAREVERSAMENTE DE UM DIODO

6

Figura 7. Fluxo de portadoresmajoritários e minoritários de umtransistor pnp

7

Operação do transistor

• Aplicando a Lei de Kirchhoffno transistor da Figura 7:

𝐼𝐸 = 𝐼𝐵 + 𝐼𝐶• A corrente de coletor possui

2 componentes:𝐼𝐶 = 𝐼𝐶𝑀𝑎𝑗𝑜𝑟𝑖𝑡á𝑟𝑖𝑜 + 𝐼𝐶𝑂𝑀𝑖𝑛𝑜𝑟𝑖𝑡á𝑟𝑖𝑜

• 𝐼𝐶𝑀𝑎𝑗𝑜𝑟𝑖𝑡á𝑟𝑖𝑜 ≫ 𝐼𝐶𝑂𝑀𝑖𝑛𝑜𝑟𝑖𝑡á𝑟𝑖𝑜

Figura 7. Fluxo de portadoresmajoritários e minoritários de umtransistor pnp

Configuração Base Comum

Figura 8. Notação e símbolos usados para a configuração base-comum: (a)

transistor pnp; (b) transistor npn.

9Configuração Base Comum: Parâmetros de Entrada

9

Figura 9. Curvas características de

entrada ou de ponto de acionamento para

um transistor amplificador de silício em

base-comum.

Ligado quando 𝑉𝐵𝐸 ≅ 0,7 V

10Configuração Base Comum: Parâmetros de Saída

Figura 10. Curvas características de saída ou de

coletor para um transistor amplificador em base-

comum.

Alpha (𝛼): Modo CC

• Relação entre as correntes de coletor e emissor

𝛼𝐶𝐶 =𝐼𝐶𝐼𝐸

• Na prática 𝛼 está na faixa de 0,90 à 0,998

Alpha (𝛼): Modo CA

• É definido por:

𝛼𝐶𝐴 = ቤ∆𝐼𝐶∆𝐼𝐸 𝑉𝐶𝐵=𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒

• Na maioria dos casos 𝛼𝐶𝐶 é igual a 𝛼𝐶𝐴

Configuração Emissor Comum

13

Figura 11. Notação e símbolos utilizados na configuração emissor-

comum: (a) transistor npn; (b) transistor pnp.

Configuração Emissor Comum

14

Figura 12. Curvas características de um transistor de silício na

configuração emissor-comum: (a) curva característica do coletor; (b)

curva característica da base.

Beta (𝛽): Modo CC

• Relação entre as correntes de coletor e de Base

𝛽𝐶𝐶 =𝐼𝐶𝐼𝐵

• Na prática 𝛽𝐶𝐶 está na faixa de 40 à 500

• 𝛽𝐶𝐶 geralmente é descrito como ℎ𝐹𝐸nos datasheets

Beta (𝛽): Modo CA

• É definido por:

𝛽𝐶𝐴 = ቤ∆𝐼𝐶∆𝐼𝐵 𝑉𝐶𝐸=𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡𝑒

• Em datasheets 𝛽𝐶𝐴 é representado por ℎ𝑓𝑒

• 𝛽𝐶𝐴 e 𝛽𝐶𝐶 costumam ser bem próximos

Letras Minúsculas

Relação entre 𝛽 e 𝛼

17

𝛼 =𝛽

𝛽 + 1

𝛽 =𝛼

1 − 𝛼Dedução no Quadro

Tipos de encapsulamento do transistor

18

Tipos de encapsulamento do transistor

19

Tipos de encapsulamento do transistor

20

21

Transistor como chave

• 𝐼𝐶𝑆 =𝑣𝐶𝐶−𝑉𝐶𝐸_𝑠𝑎𝑡

𝑅𝐶• O valor da corrente de base

que garante operação naregião de saturação é:

𝐼𝐵𝑆 =𝐼𝐶𝑆𝛽

21

Figura 16. Pontos de operação de um

transistor como chave em carga

resistiva.

Transistor como chave

• O circuito deve ser projetado pra que 𝐼𝐵 > 𝐼𝐵𝑆• Fator de sobreexcitação:

𝑂𝐷𝐹 =𝐼𝐵𝐼𝐵𝑆

• A relação 𝐼𝐶𝑆 para 𝐼𝐵 é chamado beta forçado ou 𝛽𝑓, onde:

𝛽𝑓 =𝐼𝐶𝑆𝐼𝐵

• As perdas são dadas por:𝑃𝑇 = 𝑉𝐵𝐸𝐼𝐵 + 𝑉𝐶𝐸𝐼𝐶

23

Exercício 1

O transistor bipolar da Figura 17está especificado para ter 𝛽 na faixade 8 a 40. A resistência de carga é𝑅𝐶 = 11 Ω. A tensão de alimentaçãoCC é 𝑉𝐶𝐶 = 200 V e a tensão deentrada para o circuito de base é𝑉𝐵 = 10 V. Se 𝑉𝐶𝐸(𝑠𝑎𝑡) = 1,0 V e

𝑉𝐵𝐸(𝑠𝑎𝑡) = 1,5 V, encontre (a) o valor

de 𝑅𝐵 que resulte na saturação comum fator de sobreexcitação de 5, (b)o 𝛽 forçado e (c) a perda de potência𝑃𝑇 no transistor.

23

Figura 17. Circuito utilizado no

Exercício 1

24Curvas características de chaveamento

• 𝑡𝑑 - tempo de retardo;• 𝑡𝑟- tempo de subida• Carga extra na base é

chamada de carga de saturação

• 𝑡𝑠- tempo de armazenamento

• 𝑡𝑓- tempo de descida• Tempo de entrada em

condução:𝑡𝑜𝑛 = 𝑡𝑑 + 𝑡𝑟

• Tempo de desligamento:𝑡𝑜𝑓𝑓 = 𝑡𝑠 + 𝑡𝑓

Figura 18. Tempos de chaveamento de

um transistor bipolar de junção

Característica de chaveamento com carga indutiva

Figura 18. (A) Características de chaveamento do TBJ com carga indutiva e (B)

Comportamento da tensão 𝑣𝐶𝐸 e 𝑖𝐶 durante o desligamento

Curva recomendada de 𝐼𝐵 para acionamento do TBJ

26

Figura 19. Curva recomendada de 𝐼𝐵 para acionamento do TBJ

Circuitos de acionamento do TBJ

27

Aplicações

28

Referências

BOYLESTAD, Robert L. Dispositivos eletrônicos e teoria de circuitos–11. ed. – São Paulo: Pearson Education do Brasil, 2013

RASHID, M. H. Eletrônica de potência: circuitos, dispositivos eaplicações - Sâo Paulo: Makron Books, 1999.

RASHID, M. H. Power Eletrectronics Handbook. 4 ed. Florida:Elsevier, 2017.

Obrigado pela atenção