curso técnico em eletrotécnica

Instituto Federal de Santa Catarina
CAMPUS JARAGUÁ DO SUL – SC
CURSO TÉCNICO EM ELETROTÉCNICA
PROFESSOR: ALDO
ALUNOS: DAVID ADRIANO JUSTINO DA SILVA
JOCEMAR MICHALSKI
TRANSISTORES BIPOLARES DE
POTÊNCIA
Jaraguá do Sul, Março 2011
∙ Características
Os transistores de potência apresentam características de chaveamento controlada. Os
transistores, utilizados como elementos de chaveamento, operam na região de saturação,
apresentando uma baixa queda de tensão de condução ( VCE ≈ 0 ).
A velocidade de chaveamento dos transistores modernos é muito maior do que a dos
tiristores, sendo largamente utilizados em conversores CC/CC e CC/CA, apresentando,
internamente, um diodo conectado em anti-paralelo ( manter um caminho para a corrente ).
Entretanto, as especificações de tensão e corrente ainda são menores que a dos tiristores, sendo
então aplicados em baixa e média potência. Os transistores de potência podem ser divididos em :
a) - transistor de junção bipolar - BJT;
b) - metal-oxide-semiconductor field-effect transistor - MOSFET;
c) - static induction transistor - SIT;
d) - insulated-gate bipolar transistor - IGBT
Estes transistores são considerados como chaves ideais em técnicas de conversão de
potência. O chaveamento de um transistor é mais simples que o chaveamento de um tiristor por
comutação forçada. Entretanto, a escolha entre um transistor bipolar e um MOSFET em um
circuito de conversão não é óbvia, mas qualquer um deles pode substituir o tiristor, contanto que
suas especificações de tensão e corrente satisfaçam as condições impostas pelo conversor.
Na prática, os transistores apresentam certas limitações e são restritos a algumas
aplicações. As características e a avaliação de cada tipo deverá ser examinada para determinar o
componente mais adequado para uma aplicação particular.
O fator de multiplicação da corrente na base (iB), mais conhecido por Beta do transistor ou por
hfe, que é dado pela expressão iC = iB x ß
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iC: corrente de coletor
iB: corrente de base
B: beta (ganho de corrente de emissor)
Configurações básicas de um transistor:
Existem três configurações básicas (BC, CC e EC), cada uma com suas vantagens e
desvantagens.
Base comum (BC)
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Baixa impedância(Z) de entrada.
Alta impedância(Z) de saída.
Não há defasagem entre o sinal de saída e o de entrada.
Amplificação de corrente igual a um.
Coletor comum (CC)
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Alta impedância(Z) de entrada.
Baixa impedância(Z) de saída.
Não há defasagem entre o sinal de saída e o de entrada.
Amplificação de tensão igual a um.
Emissor comum (EC)
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Média impedância(Z) de entrada.
Alta impedância(Z) de saída.
Defasagem entre o sinal de saída e o de entrada de 180°.
Pode amplificar tensão e corrente, até centenas de vezes.
Os transistores possuem diversas características. Seguem alguns exemplos dos
parâmetros mais comuns que poderão ser consultadas nos datasheets dos fabricantes:
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Tipo: é o nome do transistor.
Pol: polarização; negativa quer dizer NPN e positiva significa PNP.
VCEO: tensão entre coletor e emissor com a base aberta.
VCER: tensão entre coletor e emissor com resistor no emissor.
IC: corrente máxima do coletor.
PTOT: é a máxima potência que o transistor pode dissipar
Hfe: ganho (beta).
Ft: freqüência máxima.
Encapsulamento: a maneira como o fabricante encapsulou o transistor nos fornece a identificação
dos terminais.
Existem também outros tipos de transistores, notadamente os de efeito de campo
(transistores FET, de Field Effect Transistor); neste caso, o controle da corrente é feito por
tensão aplicada à porta.
∙ Funcionamento:
No transistor de junção bipolar ou TJB (BJT – Bipolar Junction Transistor na terminologia
inglesa), o controle da corrente coletor-emissor é feito injetando corrente na base. O efeito
transistor ocorre quando a junção coletor-base é polarizada reversamente e a junção baseemissor é polarizada diretamente. Uma pequena corrente de base é suficiente para estabelecer
uma corrente entre os terminais de coletor-emissor. Esta corrente será tão maior quanto maior for
a corrente de base, de acordo com o ganho.
Um transistor tem três terminais: BASE , COLETOR e EMISOR. O coletor e o emisor não
podem ser invertidos. Na realidade,as características e valores nominais de um transistor mudam
siguinificamente quando esses dois terminais são invertidos. Se a ponta da flecha apontar para
fora da base ele é do tipo NPN.Quando um transistor é usado como chave, para controle de
potência fornecida de uma fonte para uma carga, os terminais C e E são ligados em série com o
circuito prinipal da fonte. Já que os terminais B e E são ligados ao circuito acionador, que controla
ação de ligar e desligar. É a corrente baixa que passa pela junção base-emissor que induz o
fluxo da corrente entre coletor-emisor.Nesse trajeto a corrente pode ser muito maior do que na
junção base-emisor.
∙ Perdas:
Perdas de Potência nos BJTs
Há quatro fontes de perda de potência em um transistor: perdas na condução ou no estado
ligado, perdas por fuga ou no estado desligado, perdas por passagem para o estado ligado
durante a ligação e perdas de passagem para o estado desligado durante o desligamento da
chave.
As perdas de potência em um transistor, durante o chaveamento, quando ele está ligado
ou desligado, são baixas, mas durante o chaveamento a perdas apreciáveis de potência, que não
podem ser desprezadas. Mais ainda, as perdas por chaveamento dependem da frequência,
sendo diretamente proporcionais a ela. Na realidade, em aplicações que se utilizam BJTs, as
perdas por chaveamento tendem ao limite correspondente á frequência máxima de chaveamento
que se possa atingir.
Perda de potência em um Bjt no estado ligado
Tendo em vista a necessidade de uma corrente de base para manter o transistor de
potência no estado ligado, deve-se considerar o valor da perda de potência no circuito acionador
da base. A peda de potência na base é:
PB = VBE(SAT) IB
A perda de potência no coletor é:
PC = VCE(SAT) IC
A perda total no transistor no estado ligado é dada por:
PON = VCE(SAT) IC + VBE(SAT) IB
Se a perda de potência na base for pequena, quando comparada ás perdas de potência no
coletor.
PON = VCE(SAT) IC
Perda de potência em um BJT no estado desligado
Quando o BJT está no estado desligado, a perda de potência POFF é dada por:
POFF = VCE . IC = VCC . Ileakege
Perda de energia de um BJT durante a ligação
A perda de energia em um transistor durante a ligação é dada por:
𝑊(𝑠𝑤 − 𝑜𝑓𝑓) =
Vcc Ic(max)
6
tr
Onde tr é o tempo de subida da corrente de coletor (normalmente de 1 a 2 µs).
Perda de energia em um BJT durante o desligamento
A perda de energia em um transistor durante a passagem para o estado desligado é dada
por:
𝑊 (𝑠𝑤 − 𝑜𝑓𝑓) =
Vcc Ic(max)
6
tf
Onde tf é o tempo de descida da tensão coletor-emissor (normalmente de 1 a 3 µs).
Se o transistor for ligado e passar periodicamente de ligado para desligado e vice-versa, a
potência média resultante dependerá da freqüência nas operações de chaveamento. A dissipação
média total no transistor é dada por:
PT(AVG) = {PON . tON + POFF . tOFF = W(SW-ON) + W(SW-OFF)} ƒ
∙ Aplicações
Os transistores têm dois tipos básicos de aplicações: amplificação e chaveamento. Em
eletrônica de potência, em que o objetivo principal é o controle eficaz da potência, eles são
invariavelmente usados como chaves. São empregados principalmente em choppers e em
aplicações para inversores.
Os diodos são chaves que não podem ser controladas, pois têm apenas dois terminais.
Eles somente respondem ao chaveamento de seus terminais. Os transistores, por outro lado, tem
três terminais enquanto o terceiro é usado pra ligar e desligar a chave. Assim, o circuito de
controle pode ser independente do circuito que está sendo controlado.
Dois tipos de transistores de potência são muito utilizados em circuitos de eletrônica de
potência: o transistor bipolar de junção (bipolar junction transistor – BJT) e o transistor de efeito
de campo metal-óxido-semicondutor (metal-oxide-semiconductor Field-effect transistor –
MOSFET). Até o advento do MOSFET de potência, o BJT era o dispositivo preferido nas
aplicações em eletrônica de potência.
A velocidade de chaveamento de um BJT é muitas vezes mais lenta do que a de um
MOSFET, com o tamanho e valores nominais similares. Um BJT é um dispositivo controlado por
corrente, e uma grande corrente de base é necessária para mantê-lo no estado ligado. Além
disso, uma rápida passagem para o estado desligado exige uma corrente de base reversa mais
alta. Essas limitações aumentam a complexidade do projeto dos circuitos acionadores de base do
transistor tornando-os as mais caros do que os MOSFET. Os MOSFETs de potência, por outro
lado, são dispositivos controlados por tensão. São preferíveis os BJTs em aplicações com
freqüência alta, nas a potência de chaveamento é um ponto importante. Entretanto, a queda de
tensão no MOSFET de potência durante o estado ligado é mais alta do que no BJT de tamanho e
valores nominais similares. Portanto, em aplicações de alta tensão em que as perdas no estado
normal precisam ser minimizadas, um BJT é preferível, mesmo que á custa de perdas no
desempenho em freqüência alta.
A invenção do transistor bipolar de porta isolada (insulated-gate bipolar transistor – IGBT)
foi em partes induzida pelas limitações típicas do MOSFETs e dos BJTs.
Os IGBTs são próprios para tarefas que envolvam alta tensão, trabalham com perdas baixas no
estado ligado, requerem circuitos acionadores simples e suportam velocidades de chaveamento
relativamente altas. Estão, portanto, se tornando a escolha ideal para aplicações em alta tensão,
nas quais as perdas na condução devem ser baixas.
∙ Circuito:
Controle de Motor com transistor. Nesse circuito usamos um transistor pra ativar um
pequeno motor. A bateria é de 12Volts e o motor começa a girar assim que a corrente que passa
pelo resistor 2 chegue na base do transistor e permite que a corrente que passa pelo resistor 1
circule. Poderia-mos por exemplo, colocar um botão entre o resistor 2 e a base do transistor para
controlar o motor. O Diodo ao lado do motor serve de proteção para o transistor contra a carga
indutiva que fica armazenada no motor (que é um indutor).
∙ Modelos Comerciais
Transistores De Saida Potencia Mj15004 Original Motorola
Transistor Bc327/328 Philips
Transistor TIP32C Fairchild
Bibliografias
http://i-techgames.blogspot.com/2011/02/monte-seu-mini-robo-caseiro-circuitos-e.html
Ashfap Ahmed – Eletrônica de Potência