práctica4

PRCTICA # 4

TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNTURA TBJ

CLCULO DE PRDIDAS DE POTENCIA Y REDUCCIN DEL

TIEMPO DE APAGADO

Marcelo Pozo [email protected],Carlos Imbaquingo [email protected],Cristian Tasiguano [email protected],

Leonardo Ortega [email protected],Xavier Domnguez [email protected]

Miguel Argoti [email protected] Trujillo [email protected]

Laboratorio de Electrnica de Potencia Pgina 1 de 9

1. OBJETIVOSDisenr el circuito de control para un transistor bipolar de juntura de potencia.

Conocer las caractersticas de conmutacin del transistor bipolar de juntura.

2. MARCO TERICOEl 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 CBJy 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, withthe terminals labeled emitter (E), base (B), and collector (C).

The transistor consists of two pn junctions, the emitterbase junction (EBJ) and thecollectorbase junction (CBJ). Depending on the bias condition (forward or reverse) ofeach of these junctions, different modes of operation of the BJT are obtained, as shown inTable 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 boththe cutoff and the saturation modes. The reverse active (or inverse active) mode has verylimited application but is conceptually important.

As we will see shortly, charge carriers of both polaritiesthat is, electrons and holesparticipate in the current conduction process in a bipolar transistor, which is the reason forthe 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: Smbolo y estructura interna de un BJT.

Las regiones de operacin del transistor son: regin de corte, regin activa y regin desaturacin.

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

Regin activa: el transistor acta como un amplificador de corriente y el voltaje colector-emisor CBJ disminuye con el incremento de la corriente de base. La juntura VCE esten polarizacin inversa y la juntura EBJ en polarizacin directa.

Regin de saturacin: la corriente de base es lo suficientemente alta para que el voltajecolector-emisor sea bajo y ambas junturas tienen polarizacin directa. Un incrementoen la corriente de base no produce cambios considerables en la corriente de colector.El transistor acta como interruptor.

Entonces si un transistor trabaja entre las regiones de corte y saturacin puede ser usadocomo un switch o en rgimen de conmutacin, siendo la configuracin de emisor comn lams utilizada en estas aplicaciones.


Para entrar a la regin de saturacin la juntura JCB debe estar en polarizacin directa,caso contrario si est en polarizacin inversa, est en la regin activa o en la regin decorte por lo que el lmite para entrar a la regin de saturacin es cuando VCB = 0 es decirVBE = VCE por lo que la corriente mnima requerida en la base para entrar en saturacinestar dada por:

IBsat(min) =ICsat

(1)

Donde ICsat es la correinte de colector cuando VCE = VCEsat .

ICsat =VCC VCE(sat)

RC(2)

Es recomendable disear el circuito para una corriente mayor que IB(sat)min para garan-tizar que el TBJ est trabajando en la regin de saturacin, caso contrario una corrientede base insuficiente puede ocasionar que el TBJ trabaje en la regin activa lo que implicafuncionamiento como amplificador ocasionando un excesivo calentamiento del elemento.La relacin entre IB e IB(sat)min se conoce como el factor de sobreexcitacin ODF:

ODF =IB

IBsat(min)(3)

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

f =ICsatIB

(4)

CONSIDERACIONES DE DISEO PARA EL CIRCUITO DE ACTIVACIN DEL TBJ

Como se puede observar el diseo 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 saturacin la ganancia disminuye) por lo quese requiere una corriente considerable aplicada a la base en ocasiones en las decenas delos amperios por lo que un circuito lgico es incapaz de manejar un transistor directamen-te lo que hace necesaria una etapa intermedia de acoplamiento en base a un transistor demediana potencia que ser 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 solucin para evitar la necesidad de una considerable corriente en el circuitode control es usar la configuracin Darlington donde el transistor de mediana potencia Q2se coloca de la manera indicada en la Figura 2, en esta configuracin 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 configuracin el TBJ trabaja encuasi-saturacin incrementando la disipacin 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 Conmutacin de Potencia

Figura 3: Corriente de Base Recomendada [1]

Corriente negativa de apagado: A veceses necesario aplicar una corriente negati-va temporal durante el apagado para re-ducir el tiempo de apagado evitando asuna mayor disipacin de potencia duran-te la conmutacin. Para esto se debe di-sear un circuito especial que durante unintervalo de tiempo corto, en el orden deto f f polarice inversamente con unos po-cos voltios la juntura base - emisor. Al-gunos de estos circuitos son descritos en[1].


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

Figura 4: Diodes de antisaturacin [1]


3. EQUIPOS Y MATERIALES

3.1. EQUIPO (DISPONIBLE EN EL LABORATORIO)Osciloscopio

Fuentes de Voltaje Variable

Foco de 100W, 120V

Inductancia

Pinza Amperomtrica

3.2. EQUIPOTransistor de Potencia

Transistor de Mediana Potencia

Diodo de rpida recuperacin

Diodo rectificador normal

LM 555

Resistencias Varias

4. PREPARATORIO1. Disear un control PWM en base a un LM555 [2]. Con un potencimetro la frecuencia

debe variar entre 1kHz < f < 20kHz, de igual forma con otro potencimetro larelacin de trabajo debe variar entre 0,2< < 0,8.

2. Disear el circuito de la Figura 2 si la fuente a usarse es de aproximadamente 40 V yla resistencia de carga es un foco de 100W.

3. Disear un circuito adicional en la base del TBJ para disminuir los tiempos de conmu-tacin en el apagado.

4. Traer armado los circuitos diseados.


5. PROCEDIMIENTO1. El instructor explicar las curvas caractersticas de un transistor que se desean com-

probar.

2. Para el circuito diseado en el literal 2 del trabajo preparatorio, pero con carga re-sistiva, observar formas de onda y comprobar que el elemento est trabajando en lasregines de corte y saturacin.

3. Con el mdulo matemtico del osciloscopio, multiplicar las ondas de voltaje y corrien-te para observar la curva de potencia disipada en el dispositivo.

4. Modificar la frecuencia y la relacin de trabajo y rescate algunas observaciones sobreel desempeo del TBJ.

5. Tomar medida de los tiempos de conmutacin para una frecuencia y relacin de tra-bajo solicitadas por el instructor . Utilice el canal 1 del osciloscopio nicamente paraobservar el voltaje en la base; y el canal 2 para observar las formas de onda de corrien-te a travs del TBJ, y luego el voltaje VCE. Con ayuda de la Figura 5 mida los tiemposde conmutacin y los valores de voltaje y corriente necesarios para el clculo de lasprdidas.

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


6. Tomar medida nuevamente de los tiempos luego de aadir el circuito que modifica lacorriente de base que ayuda a la conmutacin del TBJ. Rescate algunas observaciones.

7. Repetir lo anterior para una carga inductiva de la Figura 2. Para medir los tiempos deconmutacin, utilice como referencia la Figura 6.

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


6. INFORMECalcular la potencia de disipacin del TBJ para carga inductiva, considerando los doscasos de corriente de base. Compare los resultados entre las prdidas medidas en ellaboratorio, y las calculadas.

REFERENCIAS[1] P. Marcelo Godoy Simoes, Power Electronics Handbook, Power Bipolar Transistors, 2011.

[2] C. J. Savant and G. L. Carpenter, Diseo electrnico circuitos y sistemas.


ObjetivosMarco TericoEquipos y MaterialesEquipo (Disponible en el Laboratorio)Equipo

PreparatorioProcedimientoInforme

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