Departamento de Ingeniería Eléctrica y Electrónica Sección

DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
SECCIÓN COLABORATIVA 2: CIRCUITO DE PROTECCIÓN TÉRMICA
María del Rosario Aragón
Luis Romero
Mario Rodríguez
A continuación se muestra el circuito de protección térmica para un semiconductor. Su objetivo
es evitar el embalamiento térmico del transistor al acotar el suministro de corriente de la base.
Figura1. Circuito de Protección Térmica.
a) Explique en qué consiste el embalamiento térmico y como afecta a los transistores
bipolares.
Es el fenómeno en el que la corriente y la temperatura se relacionan entre sí de forma creciente,
es decir que ante aumentos en la temperatura de un dispositivo se presentan incrementos
excesivos en la corriente, lo que puede llevarlo a la destrucción sino se cuenta con protecciones
adecuadas para tratar este fenómeno.
En el caso de los transistores existen condiciones de operación en las que la temperatura de la
unión y la potencia disipada por dicho elemento pueden presentar comportamientos de
inestabilidad, es decir que estos parámetros comienzan a incrementar de forma ilimitada hasta
llevar a los transistores a su destrucción.
Esta condición de inestabilidad se presenta por la presencia de una retroalimentación positiva que
eleva la corriente de colector de forma rápida y sin límite, hasta llegar al punto de destrucción del
elemento.
En otras palabras el embalamiento térmico se presenta cuando para un aumento de la temperatura
de la unión se presenta un aumento en la corriente de colector, lo anterior se puede generar por
varios motivos tales como, el circuito mantiene constante la tensión base emisor, lo cual tiende a
elevar la corriente de colector, elevando la potencia disipada, que trae consigo aumento de la
corriente del colector, y así hasta que el transistor se destruye.
En la figura 2 se observa el área de operación segura para un transistor de unión bipolar BJT, en
la cual se observa el fenómeno del límite de segunda ruptura, el que se presenta debido a la no
uniformidad del flujo de corriente en la unión emisor-base, que conlleva a una acumulación de
corriente que trae como consecuencia mayor disipación de potencia y por tanto un incremento en
la temperatura. Lo que ocasiona un embalamiento térmico que termina por destruir el dispositivo
semiconductor.
Figura2. Área de Operación Segura de un BJT
Cabe señalar que los términos embalamiento térmico e inestabilidad térmica interna tienden a ser
confundidos, por lo que es relevante hacer una distinción entre ellos.
La inestabilidad térmica interna consiste en el agrupamiento de la corriente en una parte de la
región activa, lo cual puede generar puntos calientes en los transistores. Este tipo de inestabilidad
térmica es difícilmente de detectar debido a que no se notan cambios apreciables en las terminales
de los transistores y generalmente se detectan cuando se presenta deterioro de los elementos.
El embalamiento térmico difiere de la inestabilidad térmica interna en:
-
El origen de puntos calientes no depende de las condiciones exteriores sino de la
distribución de la corriente de colector en el transistor de manera uniforme.
Los puntos calientes son difíciles de detectar por la no presencia de cambios aparentes en
las terminales del transistor, caso distinto en el embalamiento térmico donde se nota un
incremento de la temperatura en el dispositivo
b) Analice el circuito y muestre el funcionamiento del mismo.
La mayoría de los amplificadores de potencia cuentan con un circuito de protección térmica, el
cual está conformado por dos transistores, tres resistores y un diodo zener, este circuito detecta la
temperatura a la que se encuentra el chip y en caso de que esta supere el valor considerado como
seguro se activa el transistor Q2. El transistor Q3 presenta un coeficiente de temperatura negativo
en tanto que el diodo Zener uno positivo.
Seguidamente se hará una explicación del funcionamiento del circuito. El transistor Q2
normalmente se encuentra desactivado, cuando se presenta un aumento en la temperatura el V BE3
disminuye y el voltaje Zener aumenta, lo cual trae como resultado una elevación en la tensión en
el emisor de Q3, lo que a su vez ocasiona que la tensión en el emisor de Q2 aumente, al punto en
el cual Q2 se activa, de modo que absorbe la corriente de referencia IR del amplificador.
A continuación se muestra la expresión para la máxima elevación de temperatura, la cual permite
determinar el valor de los resistores teniendo en cuenta los coeficientes de temperatura del diodo
zener y del transistor Q3.
[∆𝑇(𝐾𝐷𝑍 + 𝐾𝑄3 ) + 𝑉𝐵𝐸3 ]
𝑅1
𝐼𝑅
= 𝑉𝐵𝐸2 = 𝑉𝑇 𝑙𝑛 ( )
𝑅1 + 𝑅2
𝐼𝑆
Donde 𝐾𝐷𝑍 corresponde al coeficiente de temperatura del diodo Zener, 𝐾𝑄3 al coeficiente de
temperatura de Q3 y 𝑉𝐵𝐸3 al voltaje base emisor de polarización del transistor Q3.
c) Investigar la susceptibilidad al embalamiento térmico de las tecnologías MOS y FET.
En los MOSFET existe un valor en el cual el coeficiente de temperatura de iD es cero, a valores
más altos de vGS, se tendrá un coeficiente negativo de temperatura. Lo cual implica que un
MOSFET operado a un punto mayor de su coeficiente cero de temperatura, no será afectado por
el embalamiento térmico. Cabe resaltar que esto ocurre a altas corrientes, si se tiene en cuenta las
bajas corrientes, el coeficiente de temperatura será positivo y el dispositivo puede ser fácilmente
afectado por el embalamiento térmico, es por esto que en configuraciones AB implementadas con
circuitos MOSFET como estas están polarizadas a bajas corrientes es necesario de un circuito de
protección para el embalamiento térmico.
Los MOSFET no se ven afectados por la segunda ruptura como los BJT.
Figura3. Curva Caracteristica iD-vGS de un transistor MOS
REFERENCIAS
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Circuitos Multietapa de Transistores. Varios Autores.
Circuitos Microeletrónicos. Sedra-Smith.
Circuitos Microeletrónicos. Rashid.
http://books.google.com.co/books?id=9iceryKt_iwC&pg=PA76&lpg=PA76&dq=embala
miento+termico+transistores&source=bl&ots=ijVxmz-C7&sig=3uWcBogpZlPaqLW5o31kHUecI1A&hl=es&ei=ApxtTKHCBMWnnQex1mxAg&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=1&ved=0CBQQ6AEwAA#v=onepage&q
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