Corriente media: es el valor medio de la corriente que puede circular por un terminal (ej. I
CAV
, corriente
media por el colector).
Corriente máxima: es la máxima corriente admisible de colector (I
CM
) o de drenador (I
DM
). Con este valor
se determina la máxima disipación de potencia del dispositivo.
V
CBO
: tensión entre los terminales colector y base cuando el emisor está en circuito abierto.
V
EBO
: tensión entre los terminales emisor y base con el colector en circuito abierto.
Tensión máxima: es la máxima tensión aplicable entre dos terminales del dispositivo (colector y emisor
con la base abierta en los bipolares, drenador y fuente en los FET).
Estado de saturación: queda determinado por una caída de tensión prácticamente constante. V
CEsat
entre colector y emisor en el bipolar y resistencia de conducción R
DSon
en el FET. Este valor, junto con
el de corriente máxima, determina la potencia máxima de disipación en saturación.
Relación corriente de salida - control de entrada: h
FE
para el transistor bipolar (ganancia estática de
corriente) y g
ds
para el FET (transconductancia en directa).
Modos de trabajo
Existen cuatro condiciones de polarización posibles. Dependiendo del sentido o signo de los voltajes de
polarización en cada una de las uniones del transistor pueden ser :
Región activa directa: Corresponde a una polarización directa de la unión emisor - base y a una
polarización inversa de la unión colector - base. Esta es la región de operación normal del
transistor para amplificación.
Región activa inversa: Corresponde a una polarización inversa de la unión emisor - base y a una
polarización directa de la unión colector - base. Esta región es usada raramente.
Región de corte: Corresponde a una polarización inversa de ambas uniones. La operación en
ésta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo apagado, pues el transistor
actúa como un interruptor abierto (IC 0).
Región de saturación: Corresponde a una polarización directa de ambas uniones. La operación
en esta región corresponde a aplicaciones de conmutación en el modo encendido, pues el
transistor actúa como un interruptor cerrado (VCE 0).
Avalancha secundaria. Curvas SOA.
Si se sobrepasa la máxima tensión permitida entre colector y base con el emisor abierto (V
CBO
), o la
tensión máxima permitida entre colector y emisor con la base abierta (V
CEO
), la unión colector - base
polarizada en inverso entra en un proceso de ruptura similar al de cualquier diodo, denominado
avalancha primaria.
Sin embargo, puede darse un caso de avalancha cuando estemos trabajando con tensiones por debajo
de los límites anteriores debido a la aparición de puntos calientes (focalización de la intensidad de
base), que se produce cuando tenemos polarizada la unión base - emisor en directo. En efecto, con
dicha polarización se crea un campo magnético transversal en la zona de base que reduce el paso de
portadores minoritarios a una pequeña zona del dispositivo (anillo circular).La densidad de potencia que
se concentra en dicha zona es proporcional al grado de polarización de la base, a la corriente de
colector y a la V
CE
, y alcanzando cierto valor, se produce en los puntos calientes un fenómeno
degenerativo con el consiguiente aumento de las pérdidas y de la temperatura. A este fenómeno, con
efectos catastróficos en la mayor parte de los casos, se le conoce con el nombre de avalancha
secundaria (o también segunda ruptura).
El efecto que produce la avalancha secundaria sobre las curvas de salida del transistor es producir
unos codos bruscos que desvían la curva de la situación prevista (ver gráfica anterior).
El transistor puede funcionar por encima de la zona límite de la avalancha secundaria durante cortos
intervalos de tiempo sin que se destruya. Para ello el fabricante suministra unas curvas límites en la
zona activa con los tiempos límites de trabajo, conocidas como curvas FBSOA.
Podemos ver como existe una curva para corriente continua y una serie de curvas para corriente
pulsante, cada una de las cuales es para un ciclo concreto.
Todo lo descrito anteriormente se produce para el ton del dispositivo. Durante el toff, con polarización
inversa de la unión base - emisor se produce la focalización de la corriente en el centro de la pastilla de
Si, en un área más pequeña que en polarización directa, por lo que la avalancha puede producirse con
niveles más bajos de energía. Los límites de IC y VC
E
durante el toff vienen reflejado en las curvas
RBSOA dadas por el fabricante.
Efecto producido por carga inductiva. Protecciones.
Las cargas inductivas someten a los transistores a las condiciones de trabajo más desfavorables dentro
de la zona activa.
En el diagrama superior se han representado los diferentes puntos idealizados de funcionamiento del
transistor en corte y saturación. Para una carga resistiva, el transistor pasará de corte a saturación.
Para una carga resistiva, el transistor pasará de corte a saturación por la recta que va desde A hasta C,
y de saturación a corte desde C a A. Sin embargo, con una carga inductiva como en el circuito anterior
el transistor pasa a saturación recorriendo la curva ABC, mientras que el paso a corte lo hace por el
tramo CDA. Puede verse que este último paso lo hace después de una profunda incursión en la zona
activa que podría fácilmente sobrepasar el límite de avalancha secundaria, con valor VCE muy superior
al valor de la fuente (Vcc).
Para proteger al transistor y evitar su degradación se utilizan en la práctica varios circuitos, que se
muestran a continuación :
a) Diodo Zener en paralelo con el transistor (la tensión nominal zéner ha de ser superior a la tensión de
la fuente Vcc).
b) Diodo en antiparalelo con la carga RL.
c) Red RC polarizada en paralelo con el transistor (red snubber).
Las dos primeras limitan la tensión en el transistor durante el paso de saturación a corte,
proporcionando a través de los diodos un camino para la circulación de la intensidad inductiva de la
carga.
En la tercera protección, al cortarse el transistor la intensidad inductiva sigue pasando por el diodo y por
el condensador CS, el cual tiende a cargarse a una tensión Vcc. Diseñando adecuadamente la red RC
se consigue que la tensión en el transistor durante la conmutación sea inferior a la de la fuente,
alejándose su funcionamiento de los límites por disipación y por avalancha secundaria. Cuando el
transistor pasa a saturación el condensador se descarga a través de RS.
El efecto producido al incorporar la red snubber es la que se puede apreciar en la figura adjunta, donde
vemos que con esta red, el paso de saturación (punto A) a corte (punto B) se produce de forma más
directa y sin alcanzar valores de V
CE
superiores a la fuente Vcc.
Para el cálculo de CS podemos suponer, despreciando las pérdidas, que la energía almacenada en la
bobina L antes del bloqueo debe haberse transferido a CS cuando la intensidad de colector se anule.
Por tanto :
de donde :
Para calcular el valor de RS hemos de tener en cuenta que el condensador ha de estar descargado
totalmente en el siguiente proceso de bloqueo, por lo que la constante de tiempo de RS y CS ha de ser
menor (por ejemplo una quinta parte) que el tiempo que permanece en saturación el transistor :
Cálculo de potencias disipadas en conmutación con carga resistiva
La gráfica superior muestra las señales idealizadas de los tiempos de conmutación (ton y toff) para el
caso de una carga resistiva.
Supongamos el momento origen en el comienzo del tiempo de subida (tr) de la corriente de colector. En
estas condiciones (0 t tr) tendremos :
donde IC más vale :
También tenemos que la tensión colector - emisor viene dada como :
Sustituyendo, tendremos que :
Nosotros asumiremos que la V
CE
en saturación es despreciable en comparación con Vcc.
Así, la potencia instantánea por el transistor durante este intervalo viene dada por :
La energía, Wr, disipada en el transistor durante el tiempo de subida está dada por la integral de la
potencia durante el intervalo del tiempo de caída, con el resultado:
De forma similar, la energía (Wf) disipada en el transistor durante el tiempo de caída, viene dado como:
La potencia media resultante dependerá de la frecuencia con que se efectúe la conmutación:
Un último paso es considerar tr despreciable frente a tf, con lo que no cometeríamos un error apreciable
si finalmente dejamos la potencia media, tras sustituir, como:
Cálculo de potencias disipadas en conmutación con carga inductiva
Arriba podemos ver la gráfica de la iC(t), V
CE
(t) y p(t) para carga inductiva. La energía perdida durante
en ton viene dada por la ecuación:
Durante el tiempo de conducción (t5) la energía perdida es despreciable, puesto que V
CE
es de un valor
ínfimo durante este tramo.
Durante el toff, la energía de pérdidas en el transistor vendrá dada por la ecuación:
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