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4.15: Clasificaciones y Paquetes de Transistores (BJT)

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    Disipación de potencia: Cuando un transistor conduce corriente entre el colector y el emisor, también baja voltaje entre esos dos puntos. En cualquier momento dado, la potencia disipada por un transistor es igual al producto (multiplicación) de la corriente del colector y la tensión colector-emisor. Al igual que las resistencias, los transistores tienen una clasificación de cuántos vatios cada uno puede disiparse de manera segura sin sufrir daños. La alta temperatura es el enemigo mortal de todos los dispositivos semiconductores, y los transistores bipolares tienden a ser más susceptibles al daño térmico que la mayoría. Las clasificaciones de potencia siempre se refieren a la temperatura del aire ambiente (circundante). Cuando los transistores se van a utilizar en ambientes más calurosos (>25 o, sus clasificaciones de potencia deben reducirse para evitar una vida útil más corta.

    Voltajes inversos: Al igual que con los diodos, los transistores bipolares están clasificados para el voltaje de polarización inversa máximo permitido a través de sus uniones PN. Esto incluye las clasificaciones de voltaje para la unión emisor-base V EB, la unión colector-base V CB, y también del colector al emisor V CE.

    V EB, el voltaje inverso máximo del emisor a la base es de aproximadamente 7 V para algunos transistores de señal pequeña. Algunos diseñadores de circuitos utilizan BJT discretos como diodos zener de 7 V con una resistencia limitadora de corriente en serie. Las entradas de transistores a circuitos integrados analógicos también tienen una clasificación V EB, que si se excede causará daños, no se permite el zenering de las entradas.

    La clasificación para el voltaje máximo del colector-emisor V CE se puede considerar como el voltaje máximo que puede soportar mientras está en modo de corte completo (sin corriente base). Esta clasificación es de particular importancia cuando se utiliza un transistor bipolar como interruptor. Un valor típico para un transistor de señal pequeña es de 60 a 80 V. En transistores de potencia, este podría oscilar hasta 1000 V, por ejemplo, un transistor de deflexión horizontal en una pantalla de tubo de rayos catódicos.

    Corriente de colector: Un valor máximo para la corriente de colector I C será dado por el fabricante en amperios. Los valores típicos para transistores de señal pequeña son 10s a 100s de mA, 10s de A para transistores de potencia. Entender que esta cifra máxima asume un estado saturado (caída mínima de voltaje colector-emisor). Si el transistor no está saturado y, de hecho, está cayendo un voltaje sustancial entre el colector y el emisor, probablemente se excederá la clasificación máxima de disipación de potencia antes de la clasificación de corriente máxima del colector. ¡Algo a tener en cuenta a la hora de diseñar un circuito de transistores!

    Voltajes de saturación: Idealmente, un transistor saturado actúa como un contacto de interruptor cerrado entre el colector y el emisor, disminuyendo el voltaje cero a la corriente completa del colector. En realidad, esto nunca es cierto. Los fabricantes especificarán la caída máxima de voltaje de un transistor a la saturación, tanto entre el colector y el emisor, como también entre la base y el emisor (caída de tensión directa de esa unión PN). Generalmente se espera que la caída de voltaje colector-emisor a la saturación sea de 0.3 voltios o menos, pero esta cifra es, por supuesto, dependiente del tipo específico de transistor. Los transistores de baja tensión, bajo V CE, muestran voltajes de saturación más bajos. El voltaje de saturación también es menor para una corriente de accionamiento de base más alta.

    La caída de voltaje directo del emisor base, kV BE, es similar a la de un diodo equivalente, 0.7 V, lo que no debería sorprender.

    Beta: La relación entre la corriente de colector y la corriente base, β es el parámetro fundamental que caracteriza la capacidad de amplificación de un transistor bipolar. Se suele suponer que β es una cifra constante en los cálculos de circuitos, pero desafortunadamente, esto está lejos de ser cierto en la práctica. Como tal, los fabricantes proporcionan un conjunto de cifras β (o “h fe”) para un transistor dado en una amplia gama de condiciones de operación, generalmente en forma de clasificaciones máximo/mínimo/típicas. Puede sorprenderle ver cuán ampliamente se puede esperar que varíe β dentro de los límites normales de operación. Se anuncia que un transistor popular de señal pequeña, el 2N3903, tiene un β que va de 15 a 150 dependiendo de la cantidad de corriente del colector. Generalmente, β es más alto para corrientes de colector medio, disminuyendo para corrientes colectoras muy bajas y muy altas. h fe es ganancia de CA de señal pequeña; h FE es ganancia de señal de CA grande o ganancia de CC.

    Alfa: la relación entre la corriente de colector y la corriente del emisor, α=I C/I E. α puede derivarse de β, siendo α=β/ (β+1).

    Los transistores bipolares vienen en una amplia variedad de paquetes físicos. El tipo de paquete depende principalmente de la disipación de potencia requerida del transistor, al igual que las resistencias: cuanto mayor sea la disipación de potencia máxima, mayor será el dispositivo para mantenerse frío. La siguiente figura muestra varios tipos de paquetes estandarizados para dispositivos semiconductores de tres terminales, cualquiera de los cuales puede usarse para alojar un transistor bipolar. Hay muchos otros dispositivos semiconductores distintos de los transistores bipolares que tienen tres puntos de conexión. Tenga en cuenta que los pines de los transistores de plástico pueden variar dentro de un solo tipo de paquete, por ejemplo, TO-92 en la Figura a continuación. Es imposible identificar positivamente un dispositivo semiconductor de tres terminales sin hacer referencia al número de pieza impreso en él, o someterlo a un conjunto de pruebas eléctricas.

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    Paquetes de transistores, dimensiones en mm.

    Los pequeños paquetes de transistores de plástico como el TO-92 pueden disipar unos cientos de milivatios. Las latas de metal, TO-18 y TO-39 pueden disipar más potencia, varios cientos de milivatios. Los paquetes de transistores de potencia de plástico como el TO-220 y el TO-247 se disipan mucho más de 100 vatios, acercándose a la disipación del TO-3 totalmente metálico. Las clasificaciones de disipación enumeradas en la Figura anterior son las máximas jamás encontradas por el autor para dispositivos de alta potencia. La mayoría de los transistores de potencia tienen una clasificación de la mitad o menos que la potencia indicada. Consulte las hojas de datos específicas del dispositivo para obtener calificaciones reales. La matriz semiconductora en los paquetes de plástico TO-220 y TO-247 está montada en una placa metálica conductora de calor que transfiere calor desde la parte posterior del paquete a un disipador de calor metálico, no mostrado. Se aplica una fina capa de grasa térmicamente conductora al metal antes de montar el transistor en el disipador térmico. Dado que las babosas TO-220 y TO-247, y la caja TO-3 están conectadas al colector, a veces es necesario aislarlas eléctricamente de un disipador térmico conectado a tierra mediante una arandela interpuesta de mica o polímero. Las clasificaciones de la hoja de datos para los paquetes de energía solo son válidas cuando se montan en un disipador térmico. Sin un disipador térmico, un TO-220 disipa aproximadamente 1 vatio de forma segura en el aire libre.

    Las clasificaciones de disipación máxima de potencia de hoja de datos son difíciles de lograr en la práctica La disipación de potencia máxima se basa en un disipador térmico que mantiene la carcasa del transistor a no más de 25 o C. Esto es difícil con un disipador térmico refrigerado por aire. La disipación de potencia permitida disminuye con el aumento de la temperatura. Esto se conoce como reducción de potencia. Muchas hojas de datos de dispositivos de alimentación incluyen un gráfico de disipación versus temperatura del caso.

    Revisar

    • Disipación de potencia: disipación de potencia máxima permitida sobre una base sostenida.
    • Voltajes inversos: máximo permisible V CE, V CB, V EB.
    • Corriente de colector: la corriente de colector máxima permitida.
    • El voltaje de saturación es la caída de voltaje V CE en un transistor saturado (completamente conductor).
    • Beta: β=I C /I B
    • Alfa: α=I C /I E α= β/ (β+1)
    • Los paquetes de transistores son un factor importante en la disipación de potencia. Los paquetes más grandes disipan más potencia.

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