Pérdidas por conmutación en transistores de unión bipolar.

Un transistor bipolar (BJT) puede actuar como un pequeño amplificador de señal o como un interruptor. Aunque hoy en día no se ven muchos amplificadores BJT discretos en las placas de circuito (usar un amplificador operacional es mucho más conveniente y efectivo), todavía es común ver BJT conectados como interruptores.

Los interruptores BJT se utilizan normalmente para bloquear o suministrar energía a cargas como motores de CC con escobillas, lámparas o solenoides. A veces también aparecen en aplicaciones de conmutación de frecuencias más altas, como reguladores de conmutación o amplificadores de clase D. La Figura 1 muestra dos aplicaciones comunes para un interruptor BJT: iluminación LED de alta intensidad (izquierda) y control de relé (derecha). Ambos interruptores son operados por un pin de entrada/salida de propósito general de un microcontrolador.

Ilustración 1. Dos ejemplos de BJT que actúan como interruptores.

Al diseñar circuitos BJT, nuestra atención tiende a centrarse en las corrientes y voltajes que necesitamos para controlar adecuadamente el transistor y controlar la carga. Sin embargo, también es importante considerar la disipación de energía, especialmente en aplicaciones que funcionan con baterías o aplicaciones con altas temperaturas ambiente. Si no hacemos esto, las pérdidas del BJT pueden aumentar la temperatura de los componentes lo suficiente como para degradar el rendimiento o incluso provocar una falla térmica. Al menos la pérdida de energía reduce la eficiencia del interruptor.

En este artículo veremos dos tipos principales de disipación de energía: pérdida de línea y pérdida de unión.

Pérdida de línea BJT

Como interruptor, un BJT siempre funciona en uno de dos modos:

• Completamente apagado. No puede fluir corriente de carga y la pérdida de potencia es prácticamente nula.
• Totalmente encendido. La corriente de carga fluye libremente y la pérdida de potencia es baja pero no nula.

Cuando se enciende, la corriente de carga fluye desde el colector del BJT hasta su emisor. Además, se requiere una corriente base-emisor para permitir la conducción colector-emisor. La pérdida de potencia total de estas dos rutas de corriente se llama pérdida de línea (PAG_C). Podemos calcularlo usando la siguiente fórmula:

$$P_C~=~\left(V_{BE}~\times~ I_B\right)~+~\left(V_{CE}~\times~ I_C\right)$$

Dónde:

v_SER es el voltaje en la unión base-emisor

v_CE es el voltaje en la conexión colector-emisor

I_b es la corriente base

I_C es la corriente del colector.

durante la linea v_SER suele ser de unos 700 mV. Cuando el BJT está saturado, que es el modo preferido para cambiar de aplicación, v_CE es de unos 200 mV. Podemos obtener una estimación aproximada de la pérdida de conducción asumiendo estos valores fijos y luego determinando la corriente de base y del colector utilizando técnicas de análisis de circuitos estándar.

Usando LTspice para estimar la pérdida de línea

Las simulaciones SPICE ofrecen otra forma más precisa de estimar las pérdidas de línea. Por ejemplo, considere el circuito LTspice en la Figura 2. Q1 Este transistor de unión bipolar simulado está controlado por una señal digital de 3,3 V y conmuta la corriente a una carga de 50 Ω.

Figura 2. Un transistor de unión bipolar modelado en LTspice.

La Figura 3 muestra los voltajes base-emisor y colector-emisor que resultan cuando ejecutamos la simulación.

Figura 3. Tensión base-emisor y tensión colector-emisor durante la parte activa del ciclo de conmutación.

El gráfico de LTspice muestra una v_CE de 208,5 mV, que está muy cerca del valor de 200 mV que asumimos en la sección anterior. A diferencia de, v_SER es significativamente mayor de lo que supusimos: 934 mV en lugar de los 700 mV esperados.

Podríamos introducir estos nuevos valores en nuestros cálculos de análisis de circuito y crear una nueva estimación para las pérdidas de línea, pero es mucho más fácil dejar que LTspice haga el cálculo por nosotros. Simplemente mantén presionada la tecla Alt (o Comando si estás en una Mac) y haz clic en el transistor. LTspice genera un gráfico como el de la Figura 4.

Figura 4. Consumo de energía del transistor calculado y registrado por LTspice.

Los resultados muestran que este interruptor BJT consume 56 mW constantes de potencia durante la fase activa del ciclo de conmutación.

Pérdida de transición BJT

Esos siniestros picos en el gráfico de consumo de energía anterior sugieren que las pérdidas de línea no son el único tipo de disipación de energía que debemos discutir. La Figura 5 muestra lo que sucede si nos acercamos a uno de estos picos.

Figura 5. Pérdida de potencia del BJT durante la transición del estado de apagado no conductor al estado de conducción saturado.

Estos picos se producen porque un BJT no puede cambiar instantáneamente de un estado no conductor a un estado totalmente conductor. Durante la transición, fluye una corriente de colector significativa y el voltaje colector-emisor aún no se ha estabilizado en su bajo nivel de saturación. Por tanto, la pérdida de potencia es relativamente alta.

Puede ver esta dinámica de corriente-voltaje en la Figura 6. Las curvas naranja y roja muestran el voltaje y la corriente del colector, respectivamente; La curva verde muestra la pérdida de potencia.

Figura 6. Voltaje del colector, corriente del colector y disipación de potencia total del BJT al pasar del estado apagado al estado encendido.

No existe una manera sencilla de calcular con precisión las pérdidas transitorias. Hay varias variables involucradas y las corrientes y voltajes del BJT cambian de maneras bastante complejas. Sugiero utilizar simulaciones.

Veamos un ejemplo. Comenzando con el diagrama anterior, puedo mantener presionada la tecla Ctrl y hacer clic en la etiqueta de la forma de onda para realizar la integración (Figura 7). El área bajo la curva de potencia representa la pérdida de energía. Esta energía se puede sumar y dividir por el tiempo para encontrar la pérdida de potencia promedio debido a la transición BJT.

Figura 7. Integrando una forma de onda de potencia instantánea con LTspice.

Esto indica que cada transición provoca una pérdida de energía de aproximadamente 1,35 μJ. Digamos que cambiamos a 500 Hz, o quinientos ciclos por segundo, que son mil transiciones por segundo. La pérdida total de energía por segundo es 1,35 μJ × 1000 = 1,35 mJ. Por tanto, la pérdida media de potencia debida a las transiciones es de 1,35 mW.

Incluso en situaciones en las que no necesita una estimación numérica, debe considerar los dos parámetros siguientes:

1. Frecuencia de cambio. Una frecuencia de conmutación más alta significa más transiciones por segundo y, por lo tanto, una mayor pérdida promediada en el tiempo.
2. Tiempos de subida/bajada. Los tiempos de subida o bajada más largos dan como resultado una mayor pérdida de energía por transición.

Ambos factores tienen una fuerte influencia en las pérdidas de transición. Por ejemplo, la Figura 8 muestra que aumentar el tiempo de subida de la señal de control de 10 μs (el valor utilizado para la simulación anterior) a 100 μs aumenta la pérdida de energía de 1,35 μJ a 13,7 μJ.

Figura 8. Las transiciones más lentas entre los estados de encendido y apagado provocan una mayor pérdida de energía.

Resumen

Como hemos visto en este artículo, la simulación SPICE es una herramienta valiosa para analizar y predecir las pérdidas de conmutación BJT. Comprender estas fuentes de disipación de energía puede ayudar a los diseñadores a optimizar sus circuitos y garantizar que los componentes no se estresen ni dañen por temperaturas excesivas.

Todas las imágenes utilizadas son cortesía de Robert Keim.