Transistores
En Electrónica de Potencia, los transistores generalmente son utilizados como
interruptores. Los circuitos de excitación (disparo) de los transistores se diseñan para que
éstos trabajen en la zona de saturación (conducción) o en la zona de corte (bloqueo). Esto
difiere de lo que ocurre con otras aplicaciones de los transistores, como por ejemplo, un
circuito amplificador, en el que el transistor trabaja en la zona activa o lineal.
Los transistores tienen la ventaja de que son totalmente controlados, mientras que, por
ejemplo, el SCR o el TRIAC sólo dispone de control de la puesta en conducción. Los tipos de
transistores utilizados en los circuitos electrónicos de potencia incluyen los transistores BJT,
los MOSFET y dispositivos híbridos, como por ejemplo, los transistores de unión bipolar de
puerta aislada (IGBT). A continuación veremos cada uno de ellos.
Transistor Bipolar de Potencia (TBP)
Más conocidos como BJTs (“Bipolar Junction Transistors”), básicamente se trata de
interruptores de potencia controlados por corriente. Como el lector recordará existen dos tipos
fundamentales, los “npn” y los “pnp”, si bien en Electrónica de Potencia los más usuales y
utilizados son los primeros. La figura 2.15 muestra un recordatorio de los símbolos empleados
para representar los transistores bipolares.
Principio de funcionamiento y estructura
La figura 2.16 muestra la estructura básica de un transistor bipolar npn.
La operación normal de un transistor se hace con la unión J1 (B-E) directamente polarizada, y
con J2 (B-C) inversamente polarizada.
En el caso de un transistor npn, los electrones son atraídos del emisor por el potencial
positivo de la base. Esta capa central es suficientemente fina para que la mayor parte de los
portadores tenga energía cinética suficiente para atravesarla, llegando a la región de transición
de J2, siendo entonces atraídos por el potencial positivo del colector.
El control de Vbe determina la corriente de base, Ib, que, a su vez, se relaciona con Ic
por la ganancia de corriente del dispositivo.
diferente. Para soportar tensiones elevadas, existe una capa intermediaria del colector, con
baja concentración de impurezas (bajo dopado), la cual define la tensión de bloqueo del
componente.
La figura 2.17 muestra una estructura típica de un transistor bipolar de potencia. Los
bordes redondeados de la región de emisor permiten una homogeneización del campo
eléctrico, necesaria para el mantenimiento de polarizaciones inversas débiles entre base y
emisor. El TBP no soporta tensiones en el sentido opuesto porque la elevada concentración de
impurezas (elevado dopado) del emisor provoca la ruptura de J1 en bajas tensiones (5 a 20 V).
La preferencia en utilizar TBP tipo NPN se debe a las menores pérdidas con relación a
los PNP, lo cual es debido a la mayor movilidad de los electrones con relación a los agujeros,
reduciendo, principalmente, los tiempos de conmutación del componente.
Características estáticas
Los transistores bipolares son fáciles de controlar por el terminal de base, aunque el
circuito de control consume más energía que el de los SCR. Su principal ventaja es la baja
caída de tensión en saturación. Como inconvenientes destacaremos su poca ganancia con v/i
grandes, el tiempo de almacenamiento y el fenómeno de avalancha secundaria.
El transistor, fundamentalmente, puede trabajar en tres zonas de funcionamiento bien
diferenciadas, en función de la tensión que soporta y la corriente de base inyectada:
- Corte: no se inyecta corriente a la base del transistor. Éste se comporta como un
interruptor abierto, que no permite la circulación de corriente entre colector y emisor. Por
tanto, en ésta zona de funcionamiento el transistor está desactivado o la corriente de base no
es suficiente para activarlo teniendo ambas uniones en polarización inversa.
- Activa: se inyecta corriente a la base del transistor, y éste soporta una determinada
tensión entre colector y emisor. La corriente de colector es proporcional a la corriente de base,
con una constante de proporcionalidad denominada ganancia del transistor, típicamente
representada por las siglas F β o F h . Por tanto, en la región activa, el transistor actúa como un
amplificador, donde la corriente del colector queda amplificada mediante la ganancia y el
voltaje vCE disminuye con la corriente de base: la unión CB tiene polarización inversa y la BE
directa.
- Saturación: se inyecta suficiente corriente a la base para disminuir la vCE y conseguir que
el transistor se comporte como un interruptor cuasi ideal. La tensión que soporta entre sus
terminales es muy pequeña y depende del transistor. En éste caso ambas uniones están
polarizadas directamente. Se suele hablar de la tensión colector-emisor en saturación.
La figura 2.18 muestra la característica estática de un transistor bipolar npn. Tal como
se muestra en su característica V-I, una corriente de base suficientemente grande IB>IC/β
(dependiendo de la I de colector) llevará al componente a la plena conducción. En el estado de
conducción (saturación) la tensión vCE(sat) está normalmente entre 1-2 V.
La característica de transferencia se muestra en la figura 2.19.
En Electrónica de Potencia, obviamente, interesa trabajar en la zona de corte y en la
zona de saturación, dado que en la zona activa se disipa mucha potencia y en consecuencia el
rendimiento del sistema puede llegar a ser muy pequeño. Además téngase en cuenta que dado
que en Electrónica de Potencia se trabaja con tensiones y corrientes elevadas, esa disipación
de potencia debe evacuarse de algún modo, o de lo contrario podemos llegar a destruir el
semiconductor por una excesiva temperatura en su interior.
Las diferencias básicas entre los transistores bipolares de señal y los de potencia son
bastante significativas. En primer lugar, la tensión colector-emisor en saturación suele estar
entre 1 y 2 Volts, a diferencia de los 0,2-0,3 Volts de caída en un transistor de señal.
Conexión Darlington
Otra diferencia importante es que la ganancia de un transistor de potencia elevada
suele ser bastante pequeña. Ello conlleva que debido a las grandes corrientes de colector que
se deben manejar, la corriente por la base debe ser también elevada, complicando el circuito
de control de base del transistor. Para transistores de señal se suelen obtener valores de
ganancia entorno a 200, mientras que para transistores de potencia es difícil llegar a obtener
valores de ganancia de 50. Si por ejemplo un TBP con β = 20 va a conducir una corriente de
colector de 60 A, la corriente de base tendría que ser mayor que 3 A para saturar el transistor.
El circuito de excitación (“driver”) que proporciona esta alta corriente de base es un circuito
de potencia importante por sí mismo.
Para evitar esta problemática se suelen utilizar transistores de potencia en
configuraciones tipo Darlington, donde se conectan varios transistores de una forma
estratégica para aumentar la ganancia total del transistor. Ésta configuración se muestra en la
figura 2.20.
Las principales características de esta configuración son:
• Ganancia de corriente β = β1 .(β2+1) + β2
• T2 no satura, pues su unión B-C está siempre inversamente polarizada
• Tanto el disparo como el bloqueo son secuenciales. En el disparo, T1 entra en
conducción primero, dándole a T2 una corriente de base. En el bloqueo (apagado), T1
debe conmutar antes, interrumpiendo la corriente de base de T2.
Debido a que la ganancia de corriente efectiva de la combinación o conexión es,
aproximadamente, igual al producto de las ganancias individuales (β = β1 .(β2+1) + β2), se
puede, por tanto, reducir la corriente extraída del circuito de excitación (driver). La
configuración Darlington puede construirse a partir de dos transistores discretos o puede
obtenerse como un solo dispositivo integrado.
En general los transistores bipolares se utilizan para potencias medias, y frecuencias
de trabajo medias (hasta unos 40 kHz). La ventaja de este tipo de interruptores es que su caída
de tensión en conducción es bastante constante, si bien el precio que se paga es la
complejidad del circuito de control, ya que es un semiconductor controlado por corriente. Este
tipo de transistores, a diferencia de los que se verán en los siguientes apartados, suelen ser
bastante económicos.
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