Qué es un transistor de potencia : Tipos y su funcionamiento

Un transistor es un dispositivo semiconductor, que fue inventado en el año 1947 en el Laboratorio Bell por William Shockley, John Bardeen y Walter Houser Brattain. Es un elemento básico de cualquier componente digital. El primer transistor inventado fue un transistor de contacto puntual. La función principal de un transistor es amplificar las señales débiles y regularlas en consecuencia. Un transistor se compone de materiales semiconductores como el silicio, el germanio o el arseniuro de galio. Se clasifican en dos tipos en función de su estructura, BJT- transistor de unión bipolar (transistores como el transistor de unión, el transistor NPN, el transistor PNP) y FET- transistor de efecto de campo (transistores como el transistor de función de unión y el transistor de óxido metálico, MOSFET de canal N, MOSFET de canal P), y de su funcionalidad (como el transistor de pequeña señal, el transistor de pequeña conmutación, el transistor de potencia, el transistor de alta frecuencia, el fototransistor, los transistores de unión). Se compone de tres partes principales: emisor (E), base (B) y colector (C), o una fuente (S), un drenaje (D) y una puerta (G).

¿Qué es un transistor de potencia?

El dispositivo de tres terminales que está diseñado específicamente para controlar una alta corriente - tensión y manejar un gran número de niveles de potencia en un dispositivo o un circuito es un transistor de potencia. El clasificación del transistor de potencia incluyen lo siguiente.

Transistor de unión bipolar

Un BJT es un transistor de unión bipolar, que es capaz de manejar dos polaridades (huecos y electrones), puede utilizarse como interruptor o como amplificador y también se conoce como dispositivo de control de corriente. Las siguientes son las características de un BJT de potenciason

• Tiene un tamaño mayor, para que pueda circular la máxima corriente por él
• La tensión de ruptura es alta
• Tiene una mayor capacidad de transporte de corriente y de manejo de alta potencia
• Tiene una mayor caída de tensión en estado activado
• Aplicación de alta potencia.

El MOSFET es una subclasificación de los transistores FET, es un dispositivo de tres terminales que contiene los terminales de fuente, base y drenaje. La funcionalidad del MOSFET depende de la anchura del canal. Es decir, si la anchura del canal es amplia, funciona eficazmente. Las siguientes son las características de un MOSFET,

• También se conoce como controlador de tensión
• No se necesita corriente de entrada
• Una alta impedancia de entrada.

Transistor de inducción estática

Es un dispositivo que tiene tres terminales, con alta potencia y frecuencia que está orientado verticalmente. La principal ventaja del transistor de inducción estático es que tiene una mayor ruptura de tensión en comparación con el transistor de efecto de campo FET. A continuación se describen las características del transistor de inducción estático,

• La longitud del canal es corta
• El ruido es menor
• El encendido y apagado es de unos pocos segundos
• La resistencia del terminal es baja.

Transistor bipolar de puerta aislada (IGBT)

Como su nombre indica, un IGBT es una combinación de transistor FET y BJT cuya función se basa en su puerta, donde el transistor puede encenderse o apagarse dependiendo de la puerta. Se aplican habitualmente en dispositivos de electrónica de potencia como inversores, convertidores y fuentes de alimentación. Estas son las características del transistor bipolar de puerta aislada (IGBT),

• En la entrada del circuito, las pérdidas son menores
• mayor ganancia de potencia.

Estructura del transistor de potencia

El transistor de potencia BJT es un dispositivo orientado verticalmente que tiene una gran superficie de sección transversal con capas alternas de tipo P y N conectadas entre sí. Puede diseñarse con un transistor P-N-P o N-P-N.

La siguiente construcción muestra un tipo P-N-P, que consta de tres terminales emisor, base y colector. El terminal emisor está conectado a una capa de tipo n altamente dopada, debajo de la cual hay una capa de tipo p moderadamente dopada con una concentración de 1016 cm-3, y una capa de tipo n ligeramente dopada con una concentración de 1014 cm-3, que también se denomina región de deriva del colector, donde la región de deriva del colector decide el voltaje de ruptura del dispositivo, y en la parte inferior tiene una capa de tipo n+ altamente dopada con una concentración de 1019 cm-3, donde el colector está grabado para la interfaz del usuario.

Funcionamiento del transistor de potencia

El transistor de potencia BJT funciona en cuatro regiones de funcionamiento que son

• Región de corte
• Región activa
• Región de cuasi saturación
• Región de saturación dura.

Se dice que un transistor de potencia está en modo de corte si el transistor de potencia n-p-n está conectado en polarización inversa donde

caso(i): El terminal de la base del transistor está conectado al negativo y los terminales del emisor están conectados al positivo, y

caso(ii): El terminal de colector del transistor está conectado al negativo y el terminal de base del transistor está conectado al positivo, es decir, base-emisor y colector-emisor están en polarización inversa.

Por tanto, no habrá flujo de corriente de salida hacia la base del transistor cuando IBE = 0, y tampoco habrá corriente de salida que fluya a través del colector hacia el emisor, ya que IC = IB = 0 indica que el transistor está en estado de desconexión, es decir, una región de corte. Pero una pequeña fracción de corriente de fuga fluye por el transistor desde el colector al emisor, es decir, ICEO.

Se dice que un transistor está en estado inactivo sólo cuando la región base-emisor está en polarización directa y la región colector-base en polarización inversa. Por tanto, habrá un flujo de corriente IB en la base del transistor y un flujo de corriente IC a través del colector hacia el emisor del transistor. Cuando IB aumenta, IC también aumenta.

Se dice que un transistor está en cuasi-saturación si la base-emisor y el colector-base están conectados en polarización de avance. Se dice que un transistor está en saturación dura si la base-emisor y el colector-base están conectados en polarización de avance.

Características de salida V-I de un transistor de potencia

Las características de salida pueden calibrarse gráficamente como se muestra a continuación, donde el eje x representa VCE y el eje y representa IC.

• El siguiente gráfico representa varias regiones, como la región de corte, la región activa, la región de saturación dura y la región de cuasi-saturación.
• Para diferentes valores de VBE, hay diferentes valores de corriente IB0, IB1, IB2, IB3, IB4, IB5, IB6.
• Cuando no hay flujo de corriente, significa que el transistor está apagado. Pero fluye poca corriente que es ICEO.
• Para aumentar el valor de IB = 0, 1,2, 3, 4, 5. Donde IB0 es el valor mínimo e IB6 es el valor máximo. Cuando VCE aumenta, ICE también aumenta ligeramente. Donde ICE = ßIB, por lo que el dispositivo se conoce como dispositivo de control de corriente. Lo que significa que el dispositivo está en la región activa, que existe durante un periodo determinado.
• Una vez que el IC ha alcanzado el máximo, el transistor pasa a la región de saturación.
• Donde tiene dos regiones de saturación, la región de cuasi-saturación y la región de saturación dura.
• Se dice que un transistor está en una región de cuasi saturación si y sólo si la velocidad de conmutación de encendido a apagado o de apagado a encendido es rápida. Este tipo de saturación se observa en la aplicación de media frecuencia.
• Mientras que en una región de saturación dura, el transistor necesita un cierto tiempo para pasar del estado de encendido al de apagado o del de apagado al de encendido. Este tipo de saturación se observa en las aplicaciones de baja frecuencia.

Ventajas

Las ventajas del BJT de potencia son

• La ganancia de tensión es alta
• La densidad de la corriente es alta
• La tensión de avance es baja
• La ganancia de ancho de banda es grande.

Desventajas

Las desventajas del BJT de potencia son

• La estabilidad térmica es baja
• Es más ruidoso
• El control es un poco complejo.

Aplicaciones

Las aplicaciones del BJT de potencia son,

• Fuentes de alimentación conmutadas (SMPS)
• Relés
• Amplificadores de potencia
• Convertidores de CC a CA
• Circuitos de control de potencia.

Preguntas frecuentes

1). ¿Diferencia entre transistor y transistor de potencia?

Un transistor es un dispositivo electrónico de tres o cuatro terminales, en el que al aplicar una corriente de entrada a un par de terminales del transistor, se observa un cambio de corriente en otro terminal de ese transistor. Un transistor actúa como un interruptor o un amplificador.

Mientras que un transistor de potencia actúa como un disipador de calor, que protege el circuito de los daños. Su tamaño es mayor que el de un transistor normal.

2). ¿Qué región del transistor hace que pase más rápido de encendido a apagado o de apagado a encendido?

El transistor de potencia, cuando está en cuasi-saturación, conmuta más rápidamente de encendido a apagado o de apagado a encendido.

3). ¿Qué significa N en el transistor NPN o PNP?

La N en el transistor de tipo NPN y PNP representa el tipo de portadores de carga utilizados, es decir, en un tipo N los portadores de carga mayoritarios son los electrones. Por lo tanto, en un NPN dos portadores de carga de tipo N se intercalan con uno de tipo P, y en un PNP un único portador de carga de tipo N se intercala entre dos portadores de carga de tipo P.

4). ¿Cuál es la unidad del transistor?

Las unidades estándar de un transistor para la medición eléctrica son el amperio (A), el voltio (V) y el ohmio (Ω) respectivamente.

5). ¿El transistor funciona con CA o CC?

Un transistor es una resistencia variable que puede funcionar tanto con CA como con CC, pero no puede convertir de CA a CC ni de CC a CA.

El transistor es un componente básico de un sistema digital, son de dos tipos en función de su estructura y en función de su funcionalidad. El transistor que se utiliza para controlar grandes tensiones y corrientes es un BJT (transistor bipolar) de potencia. También se conoce como un dispositivo de control de tensión y corriente que funciona en 4 regiones: corte, activa, cuasi-saturación y saturación dura, en función de los suministros dados al transistor. La principal ventaja de un transistor de potencia es que actúa como dispositivo de control de corriente.