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Curso de Eletrônica de Potência – Parte 3 - Transistores Bipolares de Potência (CUR3003)

No nosso Curso de Eletrônica - Eletrônica Analógica estudamos o princípio de funcionamento dos transistores bipolares ou transistores de junção (BJT = Bipolar Junction Transistors), analisando seu princípio de funcionamento, sua estrutura e também dando circuitos práticos de aplicação. Neste capítulo de nosso curso não vamos nos deter ao funcionamento desses componentes, mas sim a uma análise dos transistores usados nos circuitos de potência.

 

O transistor bipolar de potência

O que diferencia um transistor de potência, do tipo bipolar de junção, de um transistor comum, é a sua capacidade de trabalhar com correntes intensas ou com tensões elevadas, e em alguns casos com ambos.

Transistores com correntes de coletor acima de 1 A são normalmente considerados transistores de potência, e as tensões de operação, ou seja, tensões máximas que suportam entre coletor e emissor podem superar os 1000 V.

Nas aplicações industriais encontramos estes componentes em diversos tipos de equipamentos.

Eles são utilizados em fontes de alimentação tanto do tipo linear como chaveado, na excitação de relés, solenoides e no controle de outros tipos de cargas, em comutação e muito mais.

Conforme mostra a figura 1, estes transistores são dotados de invólucros que facilitem a dissipação do calor que geram.

 

   Figura 1 – Transistores de potência
Figura 1 – Transistores de potência

 

 

O que ocorre é que, ao conduzir a corrente entre o coletor e o emissor, que é a corrente controlada, o transistor apresenta certa resistência.

Na verdade, o próprio nome do componente indica isso. Transistor significa Transfer-Resistor ou resistor de transferência.

Ele se comporta como um resistor cuja resistência pode ser variada por uma corrente de base.

No entanto, mesmo na saturação, a resistência entre coletor e emissor não é nula, o que significa que calor é gerado.

Esse calor é dado pelo produto da corrente que circula pelo componente entre o coletor e o emissor (Ice) pela tensão que aparece entre o coletor e o emissor (Vce).

Assim, se um transistor apresenta uma tensão de 2 V entre o coletor e o emissor quando conduz uma corrente de 3 A, nesse momento, ele está gerando:

 

P = Ice x Vce

P = 3 x 2

P = 6 W de calor

 

 

Se esse calor gerado não for dissipado, o transistor se aquece para além da temperatura máxima que suporta e com isso ele queima. O calor deve ser transferido para o meio ambiente.

Dois tipos de invólucro se destacam: metálico e plástico.

O metálico mais comum é o TO-3 mostrado na figura 2, que tem recursos para fixação em um grande dissipador de calor, normalmente usado por transistores com dissipações acima de 100 W.

 

  Figura  2- Invólucro TO-3
Figura 2- Invólucro TO-3

 

 

Variações deste tipo de invólucro podem ser encontradas, dependendo da potência do transistor e de sua finalidade e também do fabricante.

Estes transistores normalmente têm o terminal de coletor diretamente conectado ao invólucro para ajudar na transferência de calor, conforme mostra a figura 3.

 

Figura 3 – O coletor é conectado ao invólucro
Figura 3 – O coletor é conectado ao invólucro

 

 

Este fato é importante, pois quando montamos o transistor num dissipador, ele ficará em contato com o mesmo. Isso significa que se o dissipador for montado num chassi com conexão à terra, pode ser necessário isolá-lo.

Para uma montagem isolada do dissipador ou outro elemento usado para dissipar calor, são usados acessórios apropriados.

Na figura 4 mostramos como usar um isolador para esta finalidade.

 

    Figura 4 – Montagem de transistor de potência em dissipador
Figura 4 – Montagem de transistor de potência em dissipador

 

 

O material usado pode ser um plástico especial ou a mica que possuem uma elevada capacidade de isolamento elétrico, mas ao mesmo tempo são excelentes condutores de calor.

Para maior rendimento na transferência de calor é comum impregnar o isolador, dos dois lados, com uma pasta térmica feita à base de silicone.

Veja que, numa aplicação com este tipo de transistor, deve-se ter a máxima capacidade de transferência de calor para que o transistor consiga operar nos seus limites.

Na figura 5 mostramos um aplicador de pasta térmica vendido no comércio de componentes eletrônicos.

 

Figura 5 – Aplicador de pasta térmica
Figura 5 – Aplicador de pasta térmica

 

 

Para os transistores em invólucro plástico, os mais comuns são os TO-220 e TO-247, mostrados na figura 6.

 

Figura 6 – Invólucros comuns para transistores plásticos de potência
Figura 6 – Invólucros comuns para transistores plásticos de potência

 

 

O tamanho do invólucro está diretamente ligado à capacidade de dissipação do componente que, neste caso, também possui recursos para montagem num dissipador de calor.

Nestes transistores, o coletor é normalmente conectado ao ¨tab¨ ou aleta metálica de modo a facilitar a transferência de calor.

Conforme mostra a figura 7, na montagem no dissipador de calor, devemos também usar um isolador de mica ou plástico especial impregnado com pasta térmica.

 

 Figura 7 – Montagem de transistor plástico em dissipador
Figura 7 – Montagem de transistor plástico em dissipador

 

 

Existem ainda transistores especiais para potências extremamente altas dotados de invólucros capazes de manusear a potência desenvolvida.

Na figura 8 temos alguns transistores especiais de potência com invólucros metálicos de grande porte.

 

Figura 8 – outros invólucros para transistores de potência
Figura 8 – outros invólucros para transistores de potência

 

 

Destacamos nesta figura tipos usados em RF que possuem os terminais de coletor, emissor e base nas aletas. Estes transistores são usados tanto em rádio transmissores como também em máquinas industriais que geram sinais de RF (diatermia, soldagem, etc.).

É importante observar que as características dos transistores de potência no que se refere a ganho, frequência de corte e outras são diferentes das que encontramos em transistores de menor potência e para outras aplicações.

Vemos este comprometimento de determinadas características para se obter melhorias de outras em transistores de potência de RF, onde as frequências de operação são muito altas, mas os ganhos de corrente são baixos.

 

Darlingtons

Uma forma de se obter maior ganho e também maior capacidade de corrente para os transistores bipolares é fazendo sua ligação com uma forma de acoplamento denominada Darlington.

Nela, dois transistores são ligados em acoplamento direto, de modo que o emissor do primeiro seja conectado à base do segundo e os coletores interligados.

Em funcionamento, o sinal é aplicado na base do primeiro transistor e retirado do emissor do segundo ou do coletor em comum, conforme mostra a figura 9.

 

 

Figura 9 – O acoplamento Darlington
Figura 9 – O acoplamento Darlington

 

 

Nessa configuração com transistores bipolares tanto do tipo NPN como PNP, o ganho dos transistores é multiplicado.

Assim, se ligarmos transistores de ganho 50 (Beta ou hFE), o ganho final será 50 x 50 = 250.

Na prática, em lugar de usarmos dois transistores separados para obter esta configuração, podemos usar transistores Darlington prontos que na verdade são formados por dois transistores já ligados nessa configuração, num único invólucro e até contendo resistores de polarização como o mostrado na figura 10.

 

 

Figura 10 – Um transistor Darlington de potência
Figura 10 – Um transistor Darlington de potência

 

 

Uma característica importante das etapas Darlington é sua elevada impedância de entrada e baixa impedância de saída.

Também podemos encontrar transistores Darlington de potências elevadas em invólucros metálicos.

Ao analisar as características dos transistores bipolares, podemos tratar um Darlington exatamente como um transistor de potência bipolar comum, apenas observando que ele tem um ganho muito maior.

 

Materiais

Atualmente, os transistores de potência mais comuns encontrados nas aplicações industriais e de controle são os de silício.

De fato, as características do silício como o baixo custo, facilidade de obtenção e outras facilitam sua construção, e isso observamos na indústria eletrônica de uma forma mais ampla.

Não só os transistores de potência, mas muitos outros componentes como os circuitos integrados se baseiam neste material.

No entanto, no início da indústria dos semicondutores, outro material foi amplamente utilizado na construção de transistores, incluindo os transistores de potência. Trata-se do germânio.

Assim, em aplicações mais antigas poderemos eventualmente encontrar um transistor de potência de germânio, como os mostrados na figura 11.

 

 

Figura 11 – Transistores de potência de germânio
Figura 11 – Transistores de potência de germânio

 

 

Na nomenclatura europeia, a letra “A” no início da designação do tipo indica que o transistor é de germânio.

Por exemplo, AD161 e AD162 são conhecidos transistores de potência de germânio antigos até hoje encontrados em alguns equipamentos em etapas de amplificação de áudio, pequenos inversores, drivers, etc.

Por outro lado, BD136 e BD135 indicam que são transistores de potência de silício.

Um dos problemas do silício como material semicondutor básico usado na fabricação de transistores (e de circuitos integrados) é a velocidade dos portadores de carga.

No silício e no germânio os portadores de carga (elétrons e lacunas) são lentos em relação a outros materiais como o GaAs (Arseneto de Gálio) e GaN.

Assim, transistores de alta potência com a capacidade de operar em altas frequências, como os usados em transmissores de rádio, osciladores em aplicações industriais, fazem uso desses transistores.

 

 

Figura 12 – Transistores de GaN de potência capazes de operar em frequências acima de 10 GHz.
Figura 12 – Transistores de GaN de potência capazes de operar em frequências acima de 10 GHz.

 

 

 

Transistores de potência SMD

Se bem que a preocupação maior ao se pensar na tecnologia para montagem em superfície (Surface Mounting Tecnology - SMT) em que componentes para montagem em superfície (Surface Mounting Devices ou SMD) são usados, seja com o tamanho, também existem componentes de potência disponíveis.

Transistores de potência podem ser encontrados, é claro que com capacidades de dissipação muito menores que os equivalentes e invólucros comuns.

Conforme mostra a figura 13, estes componentes possuem recursos para ajudar na dissipação de calor, quer seja um pequeno radiador, ou ainda soldando-se numa área cobreada maior da placa.

 

 

 

 Figura 13 – Transistores de potência SMD
Figura 13 – Transistores de potência SMD

 

 

A área cobreada funciona então como um dissipador de calor, ajudando na eliminação do calor gerado pelo componente.

No entanto, na prática o que vemos é o uso de transistores comuns de potência dotados de dissipadores nas placas em que os outros componentes são SMD, pois se pode não conseguir a dissipação deseja com um componente SMD, conforme mostra a figura 14.

 

 

Figura 14 – Componentes SMD e comuns numa placa
Figura 14 – Componentes SMD e comuns numa placa

 

 

 

SOAR ou SOA

Estes acrônimos são de vital importância para quem trabalha com transistores de potência.

SOAR significa Safe Operating Area Region ou Região da Área de Operação Segura, enquanto SOA significa Safe Operating Area ou Área de Operação Segura.

Vamos explicar detalhadamente o que SOA ou SOAR significam para as especificações de um transistor de potência.

Quando dizemos que um transistor, como o 2N3055 tem uma corrente máxima de coletor de 15 A e suporta uma tensão máxima de 100 V entre o coletor e o emissor, isso não significa que podemos usar este componente nestes limites.

 

 

   Figura 15 – Do datasheet do 2N3055
Figura 15 – Do datasheet do 2N3055

 

 

Isso pode levar os menos avisados a pensar que se ligarem este componente a uma carga apropriada que receba os 100 V e 15 A do transistor, eles terão uma potência disponível de 1 500 W (15 x 100).

Não é verdade, pois além do transistor só poder dissipar 115 W, existem limites a serem respeitados. Os 15 A máximos só estão disponíveis numa determinada faixa de tensão de operação do transistor.

Da mesma forma, só poderemos ter 100 V entre o coletor e emissor (Vcbomax) em condições especiais.

Como então saber como usar o transistor na corrente e na tensão desejadas?

Para isso, os fabricantes, em seus datasheets fornecem um gráfico denominado SOA ou SOAR que indica justamente as condições operacionais do transistor de forma segura.

Na figura 16 temos justamente esse gráfico elaborado de forma simplificada para o 2N3055, que é o transistor que tomamos como exemplo.

É importante observar que o gráfico é feito para uma temperatura máxima do componente de 70º C. Isso significa que acima dessa temperatura o componente tem suas característics deteriorando-se rapidamente.

 

 

Figura 16 – Gráfico SOA para o 2N3055
Figura 16 – Gráfico SOA para o 2N3055

 

 

Conforme podemos ver, a região de corrente máxima de 15 A só é aplicada para baixas tensões entre coletor e emissor, até aproximadamente uns 6 ou 7 V. (curva inferior)

Depois disso, a corrente máxima começa a cair e em torno de 100 V ela já é inferior a 1 A.

É por isso motivo que muitos leitores nos escrevem “não entendendo” por que numa simples fonte de 12 V x 10 A usamos três 2N3055 em paralelo (3,3 A para cada um) quando um deles poderia ser suficiente.

Veja pelo gráfico que, em 12 V, a corrente máxima que um 2N3055 poderia operar não é muito maior do que uns 5 A.

Dando uma tolerância, para que o limite de dissipação não seja alcançado, isso justifica o uso de três transistores na fonte.

No Gráfico temos uma segunda curva que serve para indicar o comportamento do componente sob regime pulsante (num controle PWM, ou numa fonte chaveada, por exemplo).

Com pulsos de 100 us, por exemplo, o transistor pode ir além em termos de corrente máxima, chegando mais perto dos 10 V para uma corrente de 15 A, mas vemos que em torno de 12 V essa corrente já cai para algo em torno de 10 A.

Atualmente, transistores de potência encontram uma enorme gama de aplicações no acionamento de motores de passo, inversores, PWM, fontes chaveadas, etc., o que os leva na maioria dos casos a operação com pulsos.

No entanto, para garantir que eles operem de forma segura dentro da área delimitada pela curva SOA é preciso estar atento quando fazemos um projeto, ou quando elegemos um transistor para substituir outro numa determinada aplicação.

Verifique sempre se o transistor vai operar dentro da área segura, com uma boa tolerância, para garantir que os limites de dissipação de calor não sejam ultrapassados.

É importante observar que os limites determinados pela curva SOA não válidos apenas para transistores bipolares, mas também para outros componentes, inclusive aqueles que não operam com potências elevadas.

 

Segunda Ruptura

Quando polarizamos uma junção semicondutora no sentido inverso, por exemplo, um diodo, chega o instante em que ela não mais consegue isolar a tensão aplicada e com isso ocorre uma ruptura.

A junção perde suas propriedades isolantes e se torna condutor, fluindo uma corrente intensa que normalmente causa a queima do componente. Esta é chamada ruptura inversa ou primeira ruptura.

Outros componentes, como os diodos zener, aproveitam esta tensão de ruptura para manter a tensão de seus terminais, operando com intensidades que não causam sua queima.

No entanto, para os transistores de potência, existe um fenômeno que ocorre quando a junção está polarizada no sentido direto (em condução) e que é mostrado em algumas curvas SOA, sendo denominado TU ou Segunda Ruptura ou em inglês “second breakdown”.

Na figura 17 temos uma curva SOA em que esta segunda ruptura é mostrada.

 

Figura 17 – Segunda ruptura ou “second breakdown”
Figura 17 – Segunda ruptura ou “second breakdown”

 

 

Trata-se de um fenômeno que ocorre numa junção de um transistor de potência (e de outros componentes também) quando a tensão, corrente e a dissipação de potência são altas, mas ainda abaixo dos limites admitidos para um funcionamento seguro.

O que ocorre é que num transistor ideal, quando em condução espera-se que a corrente de coletor se distribua uniformemente na área correspondente da pastilha de silício, e com isso a potência gerada também se distribua de modo uniforme.

No entanto, na prática não é isso que ocorre. Podem existir pequenas áreas em que a corrente é maior formando assim pontos quentes ou “hot spots” se adotarmos o termo em inglês.

Quando o componente é comutado, tanto no momento em que liga como desliga, estes pontos quentes que se formam podem causar a sua queima,

O fenômeno deve-se ao fato de que os portadores minoritários de carga do material semicondutor possuem um coeficiente negativo de resistência em relação à temperatura, ou seja, sua resistência diminui quando a temperatura aumenta.

Para se evitar a segunda ruptura existem cuidados importantes a serem observados no uso dos transistores, e outros componentes que podem manifestar o problema.

Os principais cuidados são:

a) Manter a dissipação dentro dos limites determinados pelas características do componente

b) Usar um snubber para evitar a dissipação excessiva nos momentos em que o componente é comutado

c) Cuidar para que o componente opere dentro da área de operação segura.

d) Observar na qualidade do transistor se ele é fabricado com uma tecnologia que permita uma distribuição uniforme da corrente para se evitar o problema

e) Trabalhar no projeto com uma polarização de base que ajude a reduzir rapidamente a corrente no componente no desligamento.

 

Deriva Térmica

Um dos principais fatores que causa a destruição de componentes eletrônicos é a falta de cuidado com a dissipação do calor por eles gerado.

O fenômeno da deriva térmica que acelera a destruição de componentes, quando tudo parece estar perfeito, a partir de uma pequena sobrecarga ou desequilíbrio de funcionamento que dá início a um processo cumulativo, pode comprometer muitos projetos principalmente os de alta potência.

Quando estudamos dinâmica (física) no ensino médio aprendemos que existem três maneiras de um corpo estar em equilíbrio estático as quais são mostradas na figura 18.

 

 

Figura 18 – Os três tipos de equilíbrio
Figura 18 – Os três tipos de equilíbrio

 

 

Na primeira condição temos o chamado equilíbrio indiferente (a), pois em qualquer posição do plano em que a esfera seja colocada ela certamente poderá ficar parada, sem problemas, numa condição de equilíbrio estático.

Na segunda, temos uma condição de equilíbrio estável (b) que é conseguida somente na posição mais baixa da calha.

Se tentarmos tirar a esfera desta posição, colocando-a em outra, ela não permanece tendendo a voltar à posição original.

Finalmente, temos uma condição de equilíbrio instável (c) que é justamente a que vai servir de ponto de partida para o estudo do nosso problema eletrônico.

Nesta condição a esfera fica equilibrada, mas de modo muito crítico na posição indicada.

Qualquer movimento, por menor que seja, para um lado ou para outro que tenda a deslocar a esfera desta posição, faz com que entrem em ação forças que levam essa esfera a se afastar rapidamente do equilíbrio para nunca mais voltar de maneira espontânea.

Na eletrônica ocorre um fenômeno que pode ser analisado de maneira análoga: a deriva térmica.

Todos os componentes eletrônicos são bastante sensíveis a mudanças de temperatura, conforme já verificamos nos diversos itens deste capítulo.

Por menores que sejam, as mudanças de temperatura acabam por afetar as características da maioria dos componentes de modo acentuado.

Os transistores, diodos e semicondutores em geral, têm suas correntes de fuga aumentadas sensivelmente quando a temperatura de suas junções aumenta, conforme mostra a figura 19.

 

Figura 19 – As correntes de fuga dos componentes dependem da temperatura
Figura 19 – As correntes de fuga dos componentes dependem da temperatura

 

 

Em outras palavras, a resistência no sentido inverso das junções dos semicondutores diminui quando a temperatura aumenta.

No entanto, componentes, como um resistor de fio, possuem coeficientes positivos de temperatura, ou seja, sua resistência aumenta quando a temperatura aumenta.

Podemos citar também os NTCs (Negative Temperature Coefficient) que são componentes cuja resistência diminui com o aumento da temperatura, conforme mostra a figura 20.

 

 

    Figura 20 – Componentes com coeficientes positivos de temperatura
Figura 20 – Componentes com coeficientes positivos de temperatura

 

 

Num circuito eletrônico como, por exemplo, uma etapa de saída de áudio de um rádio transistorizado ou de um amplificador de pequena potência do tipo mostrado na figura 21, as correntes de repouso estão na verdade fixadas de um modo crítico para uma condição de funcionamento no que se considera uma temperatura normal.

 

   Figura 21- Circuito com correntes de polarização críticas em relação à temperatura
Figura 21- Circuito com correntes de polarização críticas em relação à temperatura

 

 

Na prática as temperaturas dos componentes deste circuito variam, tanto em função da temperatura dos locais em que eles funcionam como também pelo próprio calor gerado que depende do modo de seu funcionamento.

Quando exigido à plena potência, o transistor tende a gerar mais calor e com isso a aquecer a ponto de mudar as condições de operação ideais do próprio circuito em que ele se encontra.

Isso ocorre de maneira acentuada em aplicações industriais, ou ainda em veículos, onde o ambiente hostil contribui para que temperaturas extremas possam ser alcançadas com facilidade.

Da mesma forma que a esfera nas condições de equilíbrio que tomamos como exemplo, o funcionamento de uma etapa deste tipo pode tender a três condições.

Os componentes podem ter características tais e estarem ligados de tal forma que, não importando a temperatura de operação (dentro de uma faixa de valores que não implique em sua destruição) um eventual aumento de uma resistência seja compensado pela alteração de outra de modo a manter constantes as correntes e, portanto, a polarização do circuito.

Neste caso, não se alteram as quantidades de calor geradas pelos componentes e o equilíbrio térmico do aparelho pode ser considerado indiferente.

A complexidade da maioria dos circuitos, tanto em função da elevação da temperatura como do número de componentes e da variedade de comportamentos que não são lineares com a temperatura torna esta condição muito difícil de ser obtida.

Em outras palavras, esses circuitos operam num estado de equilíbrio térmico instável

Veja que seria interessante termos um aparelho cujas características de funcionamento fossem totalmente independentes da temperatura ambiente, pois os problemas que justamente estamos analisando neste item não ocorreriam.

No entanto, o que se torna perigoso para a integridade de um aparelho, é que podemos ter uma condição de equilíbrio instável.

Tomemos por exemplo uma etapa de saída de um amplificador de áudio, em push-pull, conforme configuração mostrada na figura 22.

 

 

Figura 22 – Circuito de potência encontrado em aplicações comuns, tais como amplificadores, rádios, inversores, etc.
Figura 22 – Circuito de potência encontrado em aplicações comuns, tais como amplificadores, rádios, inversores, etc.

 

 

Os componentes que polarizam as bases dos transistores são calculados para um valor que produza uma corrente de repouso que não comprometa os transistores de saída e que ao mesmo tempo, com a aplicação de um sinal de áudio, tenhamos uma amplificação com o rendimento e fidelidade desejados.

Vamos supor, entretanto, que por algum motivo o amplificador seja levado a uma operação num local de temperatura maior do que a prevista como normal. Isso pode ainda ser agravado por uma condição de ventilação deficiente (alguém colocou alguns CDs justamente tampando os furos de ventilação do aparelho sobre a caixa, coisa muito normal para este tipo de equipamento).

Com a elevação da temperatura aumenta a corrente de fuga dos transistores que se soma com a corrente de base.

O resultado é que a corrente de coletor é determinada pela corrente de base e com o aumento da primeira, o resultado é um aumento da corrente de coletor em condição de repouso.

O aumento da corrente de coletor tem uma consequência importante: faz com que o transistor gere mais calor, e ele tem que dissipar este calor.

Ora, para dissipar mais calor, o transistor se aquece mais e o resultado da elevação adicional da temperatura não poderia ser outro: aumenta a corrente de fuga que se soma à corrente de base.

O efeito é semelhante ao de uma "bola de neve" aumentando a corrente de base aumenta a de coletor; aumenta a temperatura e novamente a corrente de base e o resultado final não poderia ser outro: a corrente no componente se torna tão intensa e o calor gerado, que a queima é inevitável!

Veja então que bastará um "empurrãozinho" inicial para que o processo vá tomando corpo, com uma "deriva térmica" que faça o circuito fugir das condições ideais de funcionamento levando os componentes mais sensíveis à queima.

Para um circuito como este é preciso agregar recursos que impeçam que este fenômeno ocorra.

Um modo simples de se compensar os efeitos da elevação da temperatura que tende a aumentar a corrente nos transistores é conseguido com o uso de um termistor ou NTC, ligado conforme mostra a figura 23.

 

 

Figura 23 – Usando um NTC para compensar as características de temperatura de um transistor
Figura 23 – Usando um NTC para compensar as características de temperatura de um transistor

 

 

O termistor, NTC ou resistor com coeficiente negativo de temperatura (Negative Temperature Coefficient) é um componente que, conforme o nome diz, diminui de resistência quando a temperatura aumenta.

Ligado entre a base do transistor e o emissor (através do enrolamento do transformador) ele tende a diminuir a tensão de polarização e com isso reduzir a corrente de base quando a temperatura aumenta.

 

Especificações

Como no caso do capítulo anterior, em que tratamos dos diodos, as características dos componentes são especificadas através de símbolos que o usuário deve conhecer.

Já tratamos dos principais símbolos também no nosso Curso de Eletrônica – Curso Básico e no nosso livro Fórmulas Para Eletrônica – vol. 1

No entanto, podemos recordar o principal de forma rápida e partir especificamente para os símbolos que e especificações que encontramos nos datasheets de transistores de potência.

Para as tensões, correntes e potências, usamos P, I e V, quando essas grandezas são continuas, ou seja, não variam. É comum, usarmos as letras minúsculas para especificar valores instantâneos.

Também usamos a letra ”o” para indicar quando o terceiro terminal do componente, em relação ao qual é feita a especificação se encontra aberto.

Por exemplo, Vce significa a tensão entre o coletor e o emissor, mas Vceo, significa a mesma tensão, mas com o terminal de base (que é o terceiro terminal) aberto, pois “o” vem de open (aberto em inglês).

Da mesma forma, são indicados se a especificação é um mínimo ou um máximo pelas abreviações min e max.

Se bem que existam normas em nosso país para a elaboração dos datasheets e folhas de dados, na maioria dos casos, quando consultamos as informações sobre componentes, elas estão num documento que não foi produzido no nosso país.

Temos de nossa autoria um interessante texto na seção “Inglês Para a Eletrônica” que ajuda bem a entender como devemos interpretar mínimo e máximo numa documentação técnica (tanto em inglês como em português).

Nas linhas seguintes deste capítulo vamos analisar as principais especificações para transistores de potência, com seu significado e um breve comentário explicando seu uso e onde são encontradas.

Se bem que existam normas para estabelecer como os parâmetros para transistores e outros componentes são usados, ocorrem variações de país para país e de fabricante para fabricante.

As que veremos a seguir são as principais, servindo como ponto de partida para os leitores que desejam ir além e também para possibilitar um uso seguro dos componentes envolvidos.

 

Parâmetros Gerais

Estes indicam algumas características não relacionadas com grandezas elétricas, como:

 

a) Número ou tipo

Trata-se da codificação que o fabricante usa para designar o componente. Para transistores, podemos tanto usar a nomenclatura americana em que os transistores começam com a designação “2N” (2N3055, 2N2222, etc.), a nomenclatura japonesa “2S” (2SA2543, 2SB3321, 2SC2856, etc.), e ainda a nomenclatura europeia (que é a adotada em nosso país) dada pelo código Pro Electron.

A nomenclatura Americana é normalizada pela JEDEC Solid State Technology Association, que consiste num conselho que estabelece as normas para dospositivos de estado sólido.

JEDEC é o acrônimo para Joint Electron Device Engineering Council.

No Brasil temos a ABNT que através de normas estabelece, por exemplo, os símbolos gráficos usados com semicondutores (NBR-5452-SB25), além de outras que podem ser obtidas a partir do site da ABNT ( www.abnt.org.br  ).

Nesse código, as letras iniciais do tipo de componente dão muitas indicações sobre o mesmo, sendo importante conhecer. Vamos analisar cada um dos códigos:

 

Código Pro-Electron

Esse código é usado na identificação de semicondutores sendo adotado principalmente na Europa.

O código é formado por duas ou três letras seguidos por um número de série (sufixo) com o seguinte significado:

A primeira letra indica o material usado na confecção do componente, conforme a seguinte tabela:

A = Material com largura de faixa proibida de 0,6 eV a 1,0 eV, como exemplo mais comum o germânio (Ge)

B = Material com largura de faixa proibida de 1,0 a 1,3 eV como o silício (Si)

C = Material com largura de faixa proibida acima de 1,3 eV como o arseneto de gálio (GaAs)

D = Material com largura de faixa proibida menor que 0,6 eV como o

InSb

E – Materiais compostos como os utilizados em sensores de efeito Hall, sensores, diversos, etc.

 

A segunda letra indica a aplicação do dispositivo conforme a seguinte tabela:

A: Diodo detector, comutador ou misturador de RF

B: Varicap

C: Transistor, AF, pequenos sinais

D: Transistor, AF, potência

E: Diodo Tunnel

F: Transistor de alta frequência, pequeno sinal

G: Multichips

K: Dispositivo de efeito Hall

L: Transistor, HF, potência

M: Dispositivos Hall

N: Acoplador óptico

P: Dispositivo sensível à radiação (foto-diodo, por exemplo)

Q: Dispositivo que produz radiação (LED, por exemplo)

R: Tiristor, Baixa potência

S: Transistor para comutação

T: Tiristor, Potência

U: Transistor, potência, comutação

X: Diodos múltiplos, varistores, recuperação rápida

Y: Retificador

Z: Zener, ou diodo regulador de tensão

 

A terceira letra indica que o dispositivo é indicado para aplicações industriais ou profissionais, assim como comerciais. O sufixo é usualmente W,X,Y ou Z.

O número de série vai de 100 a 9999. Um sufixo adicional normalmente determina a faixa de ganho, como nas normas JEDEC.

 

Exemplos:

BC548A – Transistor de silício de baixa potência com faixa A de ganhos

BAW68 – Diodo para aplicações profissionais em RF

BD135 – transistor de silício de potência

BF494 – transistor de silício de baixa potência para RF

 

JEDEC

O código JEDEC é definido pela norma EIA RS-236-B de junho de 1963.

Nele é utilizado um número, seguido da letra N e uma sucessão alfanumérica indicando o componente especificamente. Conforme já vimos, usamos 1N para os diodos e 2N para os transistores, o N indicando que o material usado é o silício.

Neste código, para os diodos é também possível usar um código de cores. Nele, as faixas indicam o número que segue o 1N, conforme a mesma codificação usada para os resistores com o adicional termos também uma letra possível, conforme a tabela.

Primeiro caso: uma faixa preta seguida por duas faixas que representam um dígito cada uma, conforme a tabela abaixo, e se existir uma letra como sufixo ela é dada pela quarta faixa, conforme a mesma tabela.

 

Dígito Cor Letra
0 Preto -
1 Marrom A
2 Vermelho B
3 Laranja C
4 Amarelo D
5 Verde E
6 Azul F
7 Violeta G
8 Cinza H
9 Branco  

 

Segundo caso: sequência de três dígitos, conforme a tabela e se existir um sufixo, será dado pela quarta faixa.

Terceiro caso: sequência de quatro dígitos conforme a tabela sendo a quinta indicando letra conforme a mesma tabela.

A leitura sempre é feita do catodo para o anodo.

 

JIS

JIS é o acrônimo para Japanese Industrial Standard, sendo a norma adotada pelos fabricantes japoneses de semicondutores.

A norma que fixa a designação de semicondutores é a JIS-C-7012 onde o primeiro dígito indica o número de junções (2 para transistores e 3 para FETs de dupla comportam por exemplo).

Em seguida temos a letra S e depois novamente uma letra com o significado dada pela tabela a seguir:

 

Segunda Letra Tipo de Semicondutor
Nenhuma Diodo
A Transistor bipolar PNP de RF
B Transistor bipolar de áudio PNP
C Transistor bipolar NPN de RF
D Transistor bipolar NPN de áudio
E Diodo
F Tiristor
G Diodo Gunn
H Transistor unijunçao
J FETs de canal P (junção ou MOS)
K FETs de canal N (junção ou MOS)
M Triac
Q LED
R Retificador
S Diodo de sinal
T Diodo de avalanche
V Varicap
Z Diodo zener

 

Em alguns casos, no invólucro do componente podem ser omitidas as primeiras letras. Por exemplo, um transistor 2SD965 pode vir coma marcação simplesmente de D965.

É preciso tomar cuidado, pois a marcação D965 pode ser confundida com BD965.

 

Outras Normas

Além dessas, podemos ainda encontrar componentes antigos ao fazer a manutenção de equipamentos sendo especificados por normas próprias. Além disso, muitas empresas ainda comercializam tais componentes.

Uma das normas que ainda podemos encontrar é a do sistema britânico CV também conhecido como norma europeia antiga.

Nela temos duas ou três letras seguidas de um número de série.

A primeira letra é o O, indicando que se trata de um dispositivo semicondutor. A segunda e terceira letra indica a categoria de dispositivo como:

A – diodo

AP- foto-diodo

AZ – diodo zener

OC e OD – transistor

 

Exemplo: OA70 – diodo semicondutor

OC74 - transistor

 

 

b) Invólucro

Os transistores de potência, assim como todos os componentes eletrônicos possuem invólucros próprios que são especificados pelos fabricantes através de códigos.

Basicamente são usadas duas designações principais: TO seguidos de três cifras para os componentes discretos comuns ou com terminais e SOT seguidos de três cifras para componentes SMD.

Veja que estes códigos não dizem muito sobre a disposição dos terminais que é específica para cada componente. É comum que sempre se associe o terminal do meio à base de um transistor,quando na verdade, para os transistores de potência é comum que o terminal do meio seja o coletor.

Na figura 24 exemplos de transistores de potência em invólucros metálicos e plásticos.

 

 

Figura 24 – Invólucros comuns para transistores de potência
Figura 24 – Invólucros comuns para transistores de potência

 

 

Veja que é comum termos sufixos para um mesmo componente que podem indicar uma variação do invólucro como, metálico, plástico, com disposição de terminais diferente, etc.

 

 

c) Polaridade

Para os transistores bipolares podemos ter dois tipos, conforme a polaridade. NPN e PNP. Esta especificação deve ser conhecida para que possamos utilizar o componente num projeto.

 

d) Especificações de grandezas elétricas

Através das especificações elétricas é que podemos prever o funcionamento do transistor num circuito. As especificações normalmente são feitas por símbolos, que na maioria dos casos são os mesmos para qualquer fabricante (normatizados, por exemplo, pela IEEE 255).

No entanto, em datasheets antigos ou de fabricantes de determinadas origens, as especificações podem ser diferentes.

É claro que na maioria dos manuais de componentes, que reúnem as especificações de muitos componentes, um apêndice é dado, descrevemos os símbolos e significados.

Os símbolos e termos correspondentes que daremos a seguir são os principais e são válidos não apenas para transistores de potência como também para outros tipos de transistores, SCRs, Triacs, diodos e muito mais.

Por este motivo, este item não mais será repetido nos capítulos futuros deste curso.

 

Cibo – Capacitância de entrada com a base aberta (já vimos que a letra”o” no final do símbolo indica que o circuito está aberto. Para os transistores é a capacitância entre a base e o emissor, com o coletor desligada. Esta capacitância influi bastante na velocidade de comutação do dispositivo.

 

ft – Frequência de transição – Há uma definição complexa desta especificação, mas para os leitores que ainda estão estudando, podemos dizer que se trata da frequência na qual o ganho do transistor se torna unitário, ou seja, a máxima frequência em que ele pode ser usado como amplificador.

 

hFE – ganho estático de corrente ou a relação entre a corrente DC de coletor e a corrente de emissor. Veja que, para as especificações estáticas as siglas são dadas em maiúsculo “FE”. (também dado por Beta – β)

 

hfe – ganho de sinal para pequenos sinais ou a relação entre a intensidade de uma corrente AC de coletor e a corrente AC de base, para pequenos sinais. Veja o “fe” minúsculo para indicar que se trata uma grandeza para sinal, ou uma intensidade que varia com o tempo.

 

Obs.: outras especificações para os parâmetros híbridos (hxx) podem ser vistas no nosso livro Fórmulas Para Eletricidade e Eletrônica – volume 1

 

IB – Corrente dc no terminal de base o transistor

IC - Corrente dc no terminal de coletor do transistor

IE – Corrente dc no terminal de emissor do transistor

Ib – Valor rms da corrente AC no terminal de base do transistor.

Ic – Valor rms da corrente AC no terminal de coletor do transistor

Ie – Valor rms da corrente AC no terminal de emissor do transistor

iB – Valor instantâneo da corrente AC no terminal de base do transistor.

iC – Valor instantâneo da corrente AC no terminal de base do transistor

iE – Valor instantâneo da corrente AC no terminal de emissor do transistor

ICBO – Corrente entre coletor e base com o emissor aberto

ICEO – Corrente entre coletor e emissor com a base aberta

 

Obs.: A condição em que a especificação é feita é dada pela terceira letra do símbolo, e que conforme já vimos, temos o “o” para indicar (open), ou o terceiro terminal aberto. Outras letras têm o seguinte significado:

R – retornando ao terminal emissor através de uma resistência específica.

S - circuitado ao terminal de emissor

V – retornado ao terminal de emissor através de uma tensão específica

X – retornado ao terminal de emissor através de um circuito específico

Estas especificações são determinadas pela norma IEEE255

 

Desta forma continuamos com:

ICER – Corrente entre coletor e emissor com uma resistência entre base e emissor.

 

ICES – Corrente entre coletor e emissor com a base curtocircuitada ao emissor.

 

ICEV – Corrente entre coletor e emissor com uma tensão especificada aplicada entre a base e o emissor.

 

ICEX – Corrente entre o coletor e o emissor com um circuito especificado ligado entre a base e o emissor.

 

ICM – Corrente de pico de coletor

 

PTOT – Dissipação total de potência. Normalmente especificada para uma temperatura ambiente de 25° C. É a potência máxima que o componente dissipar de forma segura.

 

Vbb, Vcc, Vee – Tensão de alimentação

 

Vbc, Vbe , Vce – Tensão entre os terminais indicados – valor positivo quando na ordem indicada e negativo na ordem inversa. Assim, um valor negativo indica normalmente um transistor PNP.

 

Vbe(Sat) – Tensão de saturação entre base e emissor – é a tensão que faz com que a junção base-emissora conduza a corrente a ponto de saturar o transistor

 

Além dessas, existem outras especificações que envolvem tempos e temperaturas, importantes tanto para dimensionamento de dissipadores como também para operação em regime pulsante (PWM, osciladores, inversores, etc.) e que serão vistas oportunamente.

 

 

Transistores de Alta Tensão

Em aplicações que envolvem altas tensões, transistores bipolares especiais devem ser usados.

Estes transistores pastilhas que são construídas de modo que tensões elevadas entre a o coletor e o emissor sejam suportadas, podendo chegar os valores a mais de 1 000 V.

No entanto, quando otimizamos um transistor para que ele consiga operar com estas tensões, outras características são sacrificadas, tais como o ganho e a faixa de frequências em que eles podem operar.

Assim, é comum que estes transistores tenham ganhos tão baixos como 2 a 10 vezes apenas, e sua frequência máxima de operação não passe de algumas dezenas de 1 quilohertz.

Podemos citar como exemplos os transistores BU207, BU208 e BU209 que tem as características dadas abaixo.

 


 

 

 

Se bem que possam operar com tensões máximas até 1 700 V, seu ganho é de apenas 2,25 vezes.

Este é um tipo de transistor antigo que é ainda encontrado em aplicações que envolvam alta tensão.

Muito melhores que os bipolares para este tipo de aplicação, que envolva alta tensão, conforme veremos são os Power MOSFETs e os IGBTs.

Estes transistores serão estudados nos próximos capítulos.

Da mesma forma, como qualquer transistor o ganho diminui com a corrente de coletor. Na figura 25 temos um exemplo de curva de degradação de ganho de um transistor comum.

 

Figura 25 – Perda de ganho com a corrente de coletor
Figura 25 – Perda de ganho com a corrente de coletor

 

 

Veja que o ganho máximo ocorre com aproximadamente 1/10 da corrente máxima de coletor.

Por esse motivo, quando é especificado o ganho de um transistor num datasheet, ele indica para que intensidade de corrente ele é válido.

 


 

Índice Geral

Parte 1 - Unidades - Energia

Parte 2 - Diodos

Parte 3 - Transistores Bipolares de Potência

Parte 4 - MOSFETs de Potência

Parte 5 - Os IGBTs

Parte 6 - Tiristores – O SCR 

Parte 7 - Tiristores – O Triac

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N° do componente 

(Como usar este quadro de busca)

 

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