Transistores Bipolares de Junção: Estrutura e Funcionamento

Eletrônica de Potência Prof Thiago Paula Silva de Azevedo thiagoazevedocruzeirodosuledubr 2022 Chaves controladas 2 Transistores Bipolares de Junção TBJs Criadores John Bardeen William Shockley and Walter Brattain at Bell Labs 1948 Primeiro transistor fabricado Chaves controladas 3 Transistores Bipolares de Junção TBJs Um transistor bipolar é formado pela adição de uma segunda região p ou n a um diodo de junção pn Com duas regiões n e uma região p são formadas duas junções e essa estrutura é conhecida como transistor NPN como mostrado nas figuras seguintes Se forem construídas duas regiões p e uma região n a estrutura é chamada transistor PNP Chaves controladas 4 Transistores Bipolares de Junção TBJs Um transistor bipolar é formado pela adição de uma segunda região p ou n a um diodo de junção pn Com duas regiões n e uma região p são formadas duas junções e essa estrutura é conhecida como transistor NPN como mostrado nas figuras seguintes Se forem construídas duas regiões p e uma região n a estrutura é chamada transistor PNP Transistores NPN Rashid 1999 Chaves controladas 5 Transistores Bipolares de Junção TBJs Princípio de funcionamento vídeo com áudio em inglês e legendas em português httpswwwyoutubecomwatchv7ukDKVHnac4 Curva característica I V Conforme a polarização um transistor pode operar em três regiões distintas Região de Corte Região Ativa ou de proporcionalidade Região de Saturação Nas regiões de corte e saturação é utilizado como chave ou seja serve apenas para comutação conduzir ou não conduzir Chaves controladas 6 Transistores Bipolares de Junção TBJs Curva característica I V Chaves controladas 7 Transistores Bipolares de Junção TBJs Curva característica I V Apesar de haver três configurações possíveis coletor comum base comum e emissor comum a configuração emissor comum para um transistor NPN geralmente é utilizada em aplicações de chaveamento aplicações de potência Na operação na região de corte o transistor está desligado ou a corrente de base não é suficiente para ligálo e ambas as junções estão reversamente polarizadas Na região ativa o transistor age como um amplificador no qual a corrente de coletor é amplificada por um ganho e a tensão coletoremissor diminui com a corrente de base A junção coletorbase CB está reversamente polarizada e a junção baseemissor BE diretamente polarizada Chaves controladas 8 Transistores Bipolares de Junção TBJs Curva característica I V Na região de saturação a corrente de base é suficientemente elevada para que a tensão coletoremissor seja baixa e o transistor aja como uma chave Ambas as junções CB e BE estão diretamente polarizadas A curva característica de transferência VCE em função de IB é mostrada abaixo Chaves controladas 9 Transistores Bipolares de Junção TBJs Polarização de um transistor Para se atingir o ponto de operação na região desejada é necessário que o transistor seja polarizado A figura seguinte mostra a reta de carga DC a qual representa todos os pontos de operação possíveis juntamente com o circuito de polarização O Ponto P1 é o ponto de operação ideal para funcionamento como chave Chaves controladas 10 Transistores Bipolares de Junção TBJs Polarização de um transistor No ponto P1 a corrente de coletor IC é igual a VCCRC e a tensão entre coletor e emissor é igual a zero O ponto P4 é o ponto de operação ideal para ser usado como chave quando o transistor estiver em corte desligado Nesse caso a corrente de coletor é nula e a tensão entre coletor e emissor é igual a tensão da fonte VCC A linha traçada do ponto P1 ao P4 é a reta de carga Todos os pontos de operação entre as regiões de corte e saturação estão na região ativa Nessa região tanto a corrente do coletor como a tensão coletoremissor VCE possuem valores relativamente altos o que resulta em uma maior dissipação de potência no transistor Chaves controladas 11 Transistores Bipolares de Junção TBJs Equações características Na operação em corte podese escrever VCE VCC ICRC Na região de saturação a equação da corrente do coletor fica A corrente de base mínima nessa região para alcançar uma operação satisfatória é dada por Onde β também denominado hfe é o ganho de corrente DC dado pela relação IC IB CC CE sat CC C sat C C V V V I R R C sat CC B sat C I V I R Chaves controladas 12 Transistores Bipolares de Junção TBJs Perdas de potência no TBJ Existem quatro fontes de perda de potência em um transistor perdas na condução ou no estado ligado perdas por fugas ou no estado desligado perdas durante a passagem para o estado ligado no seu acionamento perdas durante a passagem para o estado desligado As perdas que ocorrem durante o chaveamento são relativamente elevadas e são diretamente proporcionais à frequência com que o transistor opera Nas aplicações que empregam TBJs as perdas por chaveamento tendem ao limite correspondente à frequência máxima de chaveamento que se possa atingir Ou seja a por conta das perdas no chaveamento a frequência de operação determina as limitações da chave Chaves controladas 13 Transistores Bipolares de Junção TBJs Perdas de potência no TBJ durante o estado ligado Tendo em vista a necessidade de uma corrente de base para manter o transistor de potência no estado ligado devese considerar o valor da perda de potência no circuito acionador da base A perda de potência na base é Chaves controladas 14 Transistores Bipolares de Junção TBJs Perdas de potência no TBJ durante o estado ligado Se as perdas de potência na base forem pequenas quando comparadas às perdas de potência no coletor podese fazer a seguinte aproximação para as perdas no estado ligado Perdas de potência no TBJ durante o estado desligado Quando o TBJ opera no estado desligado a perda de potência é dada por ON CE sat C P V I OFF CC C CC fuga P V I V I Chaves controladas 15 Transistores Bipolares de Junção TBJs Perdas de potência no TBJ durante a passagem para o estado ligado A perda de energia de um TBJ durante a ligação é dada por Onde o termo tr é o tempo de subida da corrente de coletor Se o transistor for ligado e passar periodicamente de ligado para desligado e viceversa a potência média dissipada dependerá da frequência variável f na equação abaixo nas operações de chaveamento sendo dada por max 6 CC C SW ON r V I W t T avg ON ON OFF OFF SW ON SW OFF P P t P t W W f Chaves controladas 16 Transistores Bipolares de Junção TBJs Perdas de potência no TBJ durante a passagem para o estado ligado A perda de energia de um TBJ durante a ligação é dada por Onde o termo tf é o tempo de descida da tensão coletoremissor Se o transistor for ligado e passar periodicamente de ligado para desligado e viceversa a potência média dissipada dependerá da frequência variável f na equação abaixo nas operações de chaveamento sendo dada por max 6 CC C SW ON f V I W t T avg ON ON OFF OFF SW ON SW OFF P P t P t W W f Chaves controladas 17 Transistores Bipolares de Junção TBJs Exemplo 1 Utilizando a curva de carga abaixo e considerando VCC 120 V RC 20Ω determine a corrente de carga e as perdas de potência para as seguintes correntes de base Chaves controladas 18 Transistores Bipolares de Junção TBJs Destacase que nos itens a e b do exemplo 1 a corrente de base é suficiente para assegurar a operação na região saturada Nessa região a tensão nos terminais do transistor é muito pequena e a corrente de carga é muito próxima de seu valor máximo para uma dada resistência de carga Com a diminuição da corrente de base para 02A o transistor não estará mais na região saturada Haverá agora um grande aumento na tensão no transistor com um correspondente decréscimo na corrente de carga Além disso nessas condições a perda de potência no transistor durante a condução é mais elevada Chaves controladas 19 Transistores Bipolares de Junção TBJs Exemplo 2 Usando a mesma curva de carga do exemplo anterior com VCC 208 V RC 20 Ω VBEsat 11V e β 10 determine Chaves controladas 20 Transistores Bipolares de Junção TBJs Exemplo 3 Usando a mesma curva de carga do exemplo 1 mas com VCC 200 V RC 20 Ω tr 10μs e tf 15μs Se a frequência de chaveamento for de 5kHz determine Chaves controladas 21 Transistores Bipolares de Junção TBJs Algumas características nominais de um TBJ Tensão de saturação coletoremissor VCEsat Consiste na queda de tensão através dos terminais coletor e emissor quando o transistor está totalmente ligado Essa tensão é denominada de tensão de saturação e possui valores na faixa entre 1V e 2V A perda de potência nessa região de operação é função dessa tensão Ganho de corrente DC hfe É a relação entre o valor da corrente de coletor IC e o correspondente valor de corrente DC de base IB sendo denominado pela letra β ou hfe Ao contrário do que ocorre com transistores em circuitos de baixa potência para os quais valores de hfe maiores que 200 são comuns o ganho em corrente para transistores de potência costuma ficar na faixa entre 5 e 50 para correntes nominais de uso Chaves controladas 22 Transistores Bipolares de Junção TBJs Algumas características nominais de um TBJ Tensão de bloqueio direta Um transistor pode suportar uma tensão de coletoremissor máxima acima dela ocorrerá ruptura na junção do coletor Essa tensão é especificada como VCEOSUS ou VCO isto é a tensão máxima VCE com a base aberta IB 0 Área de operação segura Para garantir limites da operação segura do transistor os fabricantes especificam limites na curva IC x VCE para definir a área de operação segura Safe Operating Area SOA Uma SOA típica é mostrada na figura seguinte Chaves controladas 23 Transistores Bipolares de Junção TBJs Algumas características nominais de um TBJ Área de operação segura A SOA é importante para operação na região ativa Quando usado como chave o transistor fica um curto período nessa região que ocorre quando se processa o chaveamento Chaves controladas 24 Transistores Bipolares de Junção TBJs Conexão Darlington O ganho de corrente hfe de transistores de potência pode ter valores tão baixos como cinco Para se obter valores maiores utilizase a configuração denominada de Darlington de dois TBJs mostrada na figura abaixo Ganhos com valores maiores que cem podem ser obtidos com esse arranjo Chaves controladas 25 Transistores Bipolares de Junção TBJs Conexão Darlington Para ligar as chaves em Darlington é necessário fornecer um sinal de entrada muito pequeno na base de Q1 a fim de permitir que ele forneça uma corrente de base mais alta para Q2 A corrente de base requerida para acionar o par é muito menor do que a necessária para acionar Q2 isoladamente A configuração Darlington tem duas desvantagens A primeira é que resulta em uma queda de tensão mais alta no estado ligado podendo chegar a valores entre 2V a 5V conforme os modelos empregados de transistores A segunda é possuir uma menor velocidade de chaveamento se comparada aos transistores individuais Chaves controladas 26 Transistores Bipolares de Junção TBJs Conexão Darlington O ganho global da conexão Darlington é dado por Bibliografia 27 Básica Ahmed A Eletrônica de Potência São Paulo 1ª reimpressão Ed Pearson Prentice Hall 2009 Barbi I Eletrônica de Potência 4ª Ed Santa Catarina 2002 Rashid M H Eletrônica de Potência Circuitos dispositivos e aplicações São Paulo Makron Books do Brasil 1999 28 OBRIGADO Prof Thiago Paula Silva de Azevedo thiagoazevedocruzeirodosuledubr