practica 4

PRÁCTICA # 4

TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNTURA TBJ

MANEJO DE CARGAS R Y RL Y CÁLCULO DE PÉRDIDAS DE

POTENCIA

MSc. Luis A. Morales – [email protected],MSc. Jorge L. Rosero – [email protected],Sr. Freddy Guerrero – [email protected]

Laboratorio de Electrónica de Potencia Página 1 de 6

2 MARCO TEÓRICO

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. MARCO TEÓRICO

El transistor bipolar de juntura TBJ es un elemento de tres terminales Figura 1(a), cadauno 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 1(b), la juntura colector-base CBJ

y la juntura base-emisor EBJ .

between collector and emitter, vCE .) As such, small changes in vBE or iB controls a much

larger collector current iC . Note that the transistor does not generate iC . It acts as a valve

controlling the current that can flow through it. The source of current (and power) is the

power supply that feeds the CE terminals.C

vCE

BE

CB

i

+B

_

+

+

_

_

v

vi

i E

A BJT has three terminals. Six parameters; iC , iB, iE , vCE , vBE , and

vCB; define the state of the transistor. However, because BJT has three

terminals, KVL and KCL should hold for these terminals, i.e.,

iE = iC + iB vBC = vBE − vCE

Thus, only four of these 6 parameters are independent parameters. The relationship among

these four parameters represents the “iv” characteristics of the BJT, usually shown as iB vs

vBE and iC vs vCE graphs.

The above graphs show several characteristics of BJT. First, the BE junction acts likes

a diode. Secondly, BJT has three main states: cut-off, active-linear, and saturation. A

description of these regions are given below. Lastly, The transistor can be damaged if (1) a

large positive voltage is applied across the CE junction (breakdown region), or (2) product

of iCvCE exceed power handling of the transistor, or (3) a large reverse voltage is applied

between any two terminals.

Several “models” available for a BJT. These are typically divided into two general categories:

“large-signal” models that apply to the entire range of values of current and voltages, and

“small-signal” models that apply to AC signals with small amplitudes. “Low-frequency” and

“high-frequency” models also exist (high-frequency models account for capacitance of each

junction). Obviously, the simpler the model, the easier the circuit calculations are. More

complex models describe the behavior of a BJT more accurately but analytical calculations

become difficult. PSpice program uses a high-frequency, Eber-Mos large-signal model which

is a quite accurate representation of BJT. For analytical calculations here, we will discuss a

simple low-frequency, large-signal model (below) and a low-frequency, small-signal model in

the context of BJT amplifiers later.

ECE60L Lecture Notes, Winter 2002 46

(a)

5.1 DEVICE STRUCTURE AND PHYSICAL OPERATION 3

A terminal is connected to each of the three semiconductor regions of a transistor, with

the terminals labeled emitter (E), base (B), and collector (C).

The transistor consists of two pn junctions, the emitter–base junction (EBJ) and the

collector–base junction (CBJ). Depending on the bias condition (forward or reverse) of

each of these junctions, different modes of operation of the BJT are obtained, as shown in

Table 5.1.

The active mode, which is also called forward active mode, is the one used if the tran-

sistor is to operate as an amplifier. Switching applications (e.g., logic circuits) utilize both

the cutoff and the saturation modes. The reverse active (or inverse active) mode has very

limited application but is conceptually important.

As we will see shortly, charge carriers of both polarities—that is, electrons and holes—

participate in the current conduction process in a bipolar transistor, which is the reason for

the name bipolar.

FIGURE 5.1 A simplified structure of the npn transistor.

FIGURE 5.2 A simplified structure of the pnp transistor.

TABLE 5.1 BJT Modes of Operation

Mode EBJ CBJ

Cutoff Reverse ReverseActive Forward ReverseReverse active Reverse ForwardSaturation Forward Forward

(b)

Figura 1: Símbolo y estructura interna de un BJT.

Las regiones de operación del transistor son: región de corte, región activa y región desaturación.

Región de corte: el transistor esta desactivado o la corriente de base es insuficientepara activarlo por la tanto ambas junturas CBJ y EBJ están polarizadas inversamente.

Región activa: el transistor actúa como un amplificador de corriente y el voltaje colector-emisor CBJ disminuye con el incremento de la corriente de base. La juntura VC E estáen polarización inversa y la juntura EBJ en polarización directa.

Región de saturación: la corriente de base es lo suficientemente alta para que el voltajecolector-emisor sea bajo y ambas junturas tienen polarización directa. Un incrementoen 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 usadocomo un switch o en régimen de conmutación, siendo la configuración de emisor común lamás utilizada en estas aplicaciones.


2 MARCO TEÓRICO

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 región activa o en la región decorte por lo que el límite para entrar a la región de saturación es cuando VCB = 0 es decirVBE = VC E por lo que la corriente mínima requerida en la base para entrar en saturaciónestará dada por:

IBsat(min) =ICsat

β(1)

Donde ICsat es la correinte de colector cuando VC E = VC Esat .

ICsat =VCC − VC E(sat)

RC(2)

Es recomendable diseñar el circuito para una corriente mayor que IB(sat)min para garan-tizar que el TBJ está trabajando en la región de saturación, caso contrario una corrientede base insuficiente puede ocasionar que el TBJ trabaje en la región activa lo que implicafuncionamiento 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 =IB

IBsat(min)(3)

Y la relación entre IC(sat) e IB se conoce como la ganancia forzada:

β f =ICsat

IB(4)

CONSIDERACIONES DE DISEÑO PARA EL CIRCUITO DE ACTIVACIÓN DEL TBJ

Como se puede observar el diseño del circuito de control para transistores de potenciatiene un cierto grado de complejidad por las siguientes razones:

Ganancia de corriente baja: los transistores de potencia al ser un elemento controladopor corriente y con una baja ganancia (en saturación la ganancia disminuye) por lo que serequiere una corriente considerable aplicada a la base en ocasiones en las decenas de losamperios por lo que un circuito lógico es incapaz de manejar un transistor directamentelo que hace necesaria una etapa intermedia de acoplamiento en base a un transistor demediana potencia que será quien suministre la cantidad de corriente requerida en la basedel transistor de potencia, como consecuencia la capacidad de corriente requerida desde elcircuito de control se vuelve considerable.

Una posible solución para evitar la necesidad de una considerable corriente en el circuitode control es usar la configuración Darlington donde el transistor de mediana potencia Q2


3 EQUIPOS Y MATERIALES

se coloca de la manera indicada en la Figura 2, en esta configuración la corriente de base deltransistor de potencia se toma de la fuente de potencia lo que disminuye los requerimientosde corriente del control, pero se debe tener en cuenta que la presencia del transistor demediana potencia entre el colector y la base del transistor de potencia Q1 provocan que lajuntura JCB este polarizada inversamente, por ello en esta configuración el TBJ trabaja encuasi-saturación incrementando la disipación de potencia.

00

FUENTE DE CONTROL

CONTROL

DIGITAL

RR

Q2Q2

R1R1

R2R2

DFWDFW

12

V2

20Vdc

V2

20Vdc

R3R3

LL

1

2

V1

20Vdc

V1

20Vdc

Q1Q1

Figura 2: Circuito de Conmutación de Potencia

Corriente negativa de apagado: A veces es necesario aplicar una corriente negativa tem-poral durante el apagado para reducir el tiempo de apagado evitando así una mayor disipa-ción de potencia durante la conmutación. Para esto se debe diseñar un circuito especial quedurante un intervalo de tiempo corto, en el orden de toff polarice inversamente con unospocos voltios la juntura base - emisor.[1][2]

3. EQUIPOS Y MATERIALES

3.1. EQUIPO (DISPONIBLE EN EL LABORATORIO)Osciloscopio

Fuentes de Voltaje Variable

Foco de 100W, 120V

Inductancia


5 PROCEDIMIENTO

Pinza Amperométrica

3.2. EQUIPO (DISPONIBLE EN EL LABORATORIO)Transistor de Potencia

Transistor de Mediana Potencia

Diodo de rápida recuperación

Diodo rectificador normal

LM 555

Resistencias Varias

4. PREPARATORIO

1. Diseñar y construir un control PWM en base a un LM555 de 1 KHz con una fuente de12 V. La relación de trabajo debe poder variarse de 0,2 a 0,8 aproximadamente.

2. Diseñar el circuito de la Figura 2 (solo usar darlington si es necesario) si la fuentea usarse es de aproximadamente 40 V (lo que se obtenga al poner en serie las dossalidas de las fuentes de laboratorio) y la resistencia de carga es un foco de 100W,(diseñar correctamente el circuito que maneja la base). Tomar en cuenta que la resis-tencia en frío del filamento del foco es mucho menor y aumenta cuando se calienta atemperatura nominal.

3. Repetir lo anterior si se coloca en serie con el foco una inductancia (se proporcionar enel laboratorio) de manera de convertir la carga en altamente inductiva. En este casoes indispensable usar un diodo rápido en anti paralelo con la carga (usar un FASTRECOVERY DIODE) que debe ser traído por los estudiantes.

4. Traer armado los circuitos diseñados.

5. PROCEDIMIENTO

1. El instructor usando el módulo trazador de curvas disponible en el laboratorio mos-trará las curvas características de un transistor.

2. Para el circuito diseñado en el literal 2 del trabajo preparatorio, observar formas deonda y comprobar que el elemento está trabajando en las regiónes de corte y satura-ción (JCB polarizada directamente), caso contrario corregir. Usar una punta de pruebay una pinza de corriente en el osciloscopio, colocar la referencia de la punta de pruebaen el emisor del transistor y la punta en el colector, al mismo tiempo colocar la pinza


REFERENCIAS

amperométrica para observar la corriente de colector. A una relación de trabajo apro-ximada de 0.5 tomar formas de onda de voltaje y corriente en función del tiempo yademás tomar tiempos de conmutación con carga resistiva. Tomar también el tiempoque permanece saturado y en corte el transistor para calcular luego la potencia. Con elmódulo matemático del osciloscopio, multiplicar las ondas de voltaje y corriente paraobservar la curva de potencia disipada en el dispositivo (no todos los osciloscopiostienen esta facilidad).

3. Repetir lo anterior para carga inductiva con diodo de conmutación (FAST RECOVERY)como se menciona en numeral 3 del trabajo preparatorio. Verificar las diferencias conlos datos obtenidos en el literal 2. Verificar también los cambios cuando se usa undiodo común en lugar del diodo rápido, Verificar de manera especial el efecto de lacorriente de recuperación reversa (Ir r).

6. INFORME

Calcular la potencia de disipación del transistor de potencia para los dos circuitosdiseñados con los datos tomados en el laboratorio.

7. BIBLIOGRAFÍA

REFERENCIAS

[1] Boylestad R., Nashelsky L. , Electronic Devices and Circuit Theory, 10/e (New Edition).Pearson Education, 2012.

[2] M. Rashid, Power Electronics: Circuits, Devices, and Applications. Pearson/Prentice Hall,2004.


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