Pero para que
un componente pueda recibir el nombre de “llave”
debe cumplir no solo la condición de resistencia
baja al estar cerrada (resistencia de conducción).
También debe tener una resistencia elevada
cuando está abierto (resistencia de aislación).
De hecho el transistor sin excitación de
base es un aislador entre colector y emisor ya que
solo circula la corriente de pérdida. Pero
esa corriente no es nula y debe ser considerada.
Esa corriente depende de la tensión inversa
aplicada a la barrera base emisor y se llama condición
de bloqueo. Genéricamente podemos decir que
no es suficiente que la tensión de emisor
esté por debajo de 600mV para asegurar que
el transistor esté cortado. De hecho debemos
recordar que el semiconductor utilizado está
sometido a la aplicación de tensiones de
colector muy elevadas luego del corte y un corte
poco eficaz causa su destrucción inmediata.
Por lo general un diseñador asegura que en
el momento del corte se produzcan por lo menos tensiones
inversas de base del orden de los 2 a 3 volt.
Mayores tensiones pueden ser contraproducentes
sobre todo si se generan a baja impedancia ya que
la juntura no soporta mas que alguna decena de volt.
Aquí es importante realizar un análisis
de la transformación de energía eléctrica
en térmica porque la mayoría de los
problemas no catastróficos de las fuentes
se deben a algún problema de este tipo.
Cuando la llave esta abierta, tiene
una gran tensión aplicada pero no circula
corriente por ella; por lo tanto la disipación
(W = E x I con I = 0) será nula. Cuando la
llave está cerrada circula una elevada corriente
por ella, pero la tensión sobre la misma
será prácticamente nula (W = E x I
con E = 0). Desde luego que estamos hablando de
condiciones ideales que no siempre se cumplen. En
realidad existe cierta caída de tensión
sobre la llave cerrada y cierta corriente circulando
con la llave abierta pero la potencia generada no
suele ser importante y puede despreciarse.
¿Esto significa
que la llave no se calienta?
No, de ninguna manera. Se puede calentar y mucho.
Lo que queremos decir es que no se calienta por
la disipación cuando está cerrada
o cuando está abierta.
¿Y cuándo
se calienta entonces?
Se calienta en el preciso momento de la conmutación;
cuando pasa del cierre a la apertura o de la apertura
al cierre. En conclusión: si la conmutación
es rápida y ocurre pocas veces por segundo,
hay poca disipación. Si es lenta o se repite
muchas veces por segundo hay mucha disipación.
¿Y de qué
depende que un transistor conmute rápidamente?
Depende de su circuito de excitación. En
la figura 3 mostramos un simple circuito realizado
con un transistor de conmutación Zetex tipo
CTX658. Observe que simplemente debe conmutar una
carga resistiva de 10k ohm?sobre una fuente de 100V.
En la pantalla del osciloscopio,
ubicamos la excitación de base en la parte
inferior (con el eje cero en –1V) y la tensión
de colector en la superior. Observe que la señal
de excitación es una onda cuadrada de 10V
de una frecuencia de 10kHz. El oscilograma de base
está muy lejos de ser rectangular así
que lo primero que le pedimos al alumno es que tome
el haz de colector y lo conecte sobre la salida
de la fuente para estar seguro que el problema no
es del generador. Una vez que halla comprobado que
el generador tiene una onda perfectamente rectangular
le pedimos que reconecte el osciloscopio en el colector.
Observe que la señal de
colector sigue a la de base con bastante exactitud
salvo la amplitud y la inversión de fase.
Observe que cuando la tensión de base se
hace inversa el transistor se corta y la tensión
sube hasta el valor de fuente. Cuando la juntura
de base se polariza en directa, el transistor se
satura y la tensión de colector llega prácticamente
a cero. La corriente de colector se puede observar
sobre el resistor R2 en serie con el miliamperímetro.
En la figura 4 se puede observar la corriente de
colector junto la señal de salida del generador.
Observe que desplazamos los ejes para que las señales
se puedan observar mejor (arriba se observa la corriente).
Observe la indicación del
miliamperímetro; indica 4,94mA es decir prácticamente
5mA. En efecto el transistor conecta un resistor
de 10k ohm?sobre una fuente de 100V pero lo hace
solo durante la mitad del tiempo. Esto significa
una corriente pico de 10mA y una promedio de 5mA.
En realidad los retardos del transistor se comportan
de modo tal que el periodo de actividad es menor
y por eso la indicación es de solo 4,94mA.
Si cambiamos la resistencia de
base para excitar la base con menor impedancia encontramos
que con R1 de 100 ohm?la forma de señal en
colector se corrige haciéndose mas parecida
a la del generador. Además el miliamperímetro
ahora indica 5,126mA. Es decir que mide mas de lo
ideal pero que como ya sabemos es mas parecido a
lo real porque ahora la corriente de colector tiene
un tiempo de actividad muy cercano al 50%.
Para entender donde se producen
las pérdidas del circuito debería
utilizarse un graficador de potencia instantánea.
Solo que ese instrumento no existe en la realidad.
Con el WB se puede realizar un instrumento de ese
tipo mediante la utilización de un modulo
que realiza el producto de dos señales (recuerde
que W = E x I). Ver figura 5.
Observe que la gráfica de
potencia instantánea esta siempre a nivel
bajo, salvo en la conmutaciones en donde se producen
dos picos importantes. La razón es que durante
las conmutaciones se obtiene tensión y corriente
al mismo tiempo no porque lo exija la carga sino
porque la corriente de colector no llegó
a cero cuando la tensión aplicada todavía
persiste (lentitud de la llave). Lo más importante
es reducir esos picos tanto en amplitud como en
duración, porque entonces se puede suponer
que se mejoró el rendimiento del sistema.
Analizaremos ahora porque razón
se producen retardos en la conmutación de
una llave transistor (observe en la figura 5 que
llegan a valores de unos 3µS) y como se los
puede mejorar.
Un transistor llave debe trabajar
saturado. Esto significa que la juntura base emisor
tiene mas portadores que los necesarios para que
la tensión de colector llegue a un valor
nulo. En la práctica alcanzaría con
el valor justo de corriente que produzca la saturación
pero es absolutamente imposible asegurar una producción
estable de transistores con una factor de amplificación
de corriente determinado, por lo tanto el circuito
se debe diseñar para que la corriente de
base alcance, con el transistor más duro
de la producción y por las dudas se debe
dar un factor de seguridad de por lo menos el 20
o 30%.
Imaginemos al transistor saturado
al final del periodo de conducción. En la
base existen mas portadores que los necesarios para
producir la saturación. Si en ese momento
simplemente se invierte la tensión de base
no podemos suponer que la juntura de colector se
abra inmediatamente. En efecto, hasta que la juntura
de base no se vacíe el colector no se entera
del cambio de la condición del generador.
Los portadores extras están como acumulados
en un capacitor de base emisor y se los debe extraer
lo mas rápidamente posible. Y como sabemos
la corriente depende de ese valor de capacidad pero
también depende del circuito externo.
En nuestro circuito de ejemplo
la corriente de base se puede modificar de dos modos.
A) modificando la resistencia de base o B) modificando
la tensión de salida del generador. Ambos
efectos parecen iguales pero no lo son. Los portadores
sobrantes se pueden retirar mas rápidamente
si se utiliza un circuito de baja impedancia y si
no se hace circular mas corriente que la necesaria.
Si editamos las características del transistor
utilizado nos encontraremos que el beta del mismo
es de 170. En nuestro circuito utilizamos una tensión
directa de base de 5V (10Vpap de onda cuadrada)
y un resistor de 10k ohm la corriente que pasará
por ese resistor despreciando la tensión
de barrera del transistor es de 5V/10k ohm?= 0,5mA.
Con esa corriente podríamos hacer circular
hasta una corriente de colector de 0,5 x 170 = 85mA
pero solo estamos haciendo circular una corriente
de 100V/10ko hm?= 10mA. Es decir que estamos sobreexcitando
el transistor en un orden de 8,5 veces.
La solución en nuestro caso
no pasa por aumentar el valor de resistencia porque
en ese caso tardaremos mas en descargar el capacitor
de base. Lo que conviene hacer es reducir la tensión
de base y al mismo tiempo el resistor de base. Por
ejemplo intentemos reducir el resistor a 100 ohm?y
ajustemos la corriente de base para que tenga un
valor igual a doble de lo necesario es decir 10mA/170
x 2 = 0,12mA.
Observe como se reduce la duración
de los pulsos de potencia instantánea. En
realidad la amplitud de los pulsos no se redujo
mucho, pero la duración prácticamente
se anuló.
La mejora en el rendimiento general
se puede observar en el circuito de la figura 6
en donde conectamos el canal superior al vatímetro
instantáneo dejando el inferior para la tensión
de colector. Al mismo tiempo se agregó un
miliamperímetro para observar como la corriente
de la fuente pasó de un valor de 5,126mA
cuando excitábamos con 10k ohm?a un valor
de 5,016mA con 100 Ohm.
No vamos a abandonar nuestro circuito,
sin antes observar con mas detalle la forma de señal
de corriente de base, pero esta vez junto con la
de tensión de base. Ver figura 7.
Observe que para hacer, conducir
al transistor primero aparece la tensión
positiva de base. En ese preciso momento se genera
un pico de corriente de base que carga al capacitor
de la juntura y una ves que esta cargado comienza
a conducir el colector porque se satura el transistor.
Observe que el operativo de carga del capacitor
dura muy poco (despreciable con una base de tiempo
de 1 uS/div) cuando antes duraba unos tres microsegundos. |
