ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA

LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL
Campus Politécnico "J. Rubén Orellana R."
FACULTAD DE INGENIERÍA ELÉCTRICA Y ELECTRÓNICA
Carrera de Ingeniería Electrónica y Control
Carrera de Ingeniería Electrónica y Telecomunicaciones
Carrera de Ingeniería Electrónica y Redes de Información
Carrera de Ingeniería Eléctrica
LABORATORIO DE ELECTRÓNICA DE POTENCIA
PRÁCTICA N°4
1. TEMA
TRANSISTOR BIPOLAR DE JUNTURA TBJ
2. OBJETIVOS
2.1. Disenãr el circuito de control para un transistor bipolar de juntura de
potencia.
2.2. Conocer las características de conmutación del transistor bipolar de juntura.
3. INFORMACIÓN
El transistor bipolar de juntura TBJ es un elemento de tres terminales Figura 1(a). Cada
terminal accede a una de las tres capas de semiconductor que forman el elemento. El TBJ
tiene dos junturas tal como se indica en la Figura 1(b), la juntura colector-base CBJ y la
juntura base-emisor EBJ.
Las regiones de operación del transistor son: región de corte, región activa y región de
saturación.
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Región de corte: el transistor esta desactivado o la corriente de base es insuficiente
para activarlo por la tanto ambas junturas CBJ y EBJ están polarizadas inversamente.

Región activa: el transistor actúa como un amplificador de corriente y el voltaje
colectoremisor CBJ disminuye con el incremento de la corriente de base. La juntura
VCE está en polarización inversa y la juntura EBJ en polarización directa.

Región de saturación: la corriente de base es lo suficientemente alta para que el voltaje
colector-emisor sea bajo y ambas junturas tienen polarización directa. Un incremento
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en la corriente de base no produce cambios considerables en la corriente de colector.
El transistor actúa como interruptor.
Figura 1: Símbolo y estructura interna de un BJT.
Entonces si un transistor trabaja entre las regiones de corte y saturación puede ser usado
como un switch o en régimen de conmutación, siendo la configuración de emisor común la
más utilizada en estas aplicaciones.
Para entrar a la región de saturación la juntura JCB debe estar en polarización directa, caso
contrario si está en polarización inversa, está en la región activa o en la región de corte por
lo que el límite para entrar a la región de saturación es cuando VCB = 0 es decir VBE =
VCE por lo que la corriente mínima requerida en la base para entrar en saturación estará
dada por:
𝐼
𝐼
𝐵𝑠𝑎𝑡(𝑚𝑖𝑛)= 𝐶𝑠𝑎𝑡
𝛽
Donde ICsat es la correinte de colector cuando VCE = VCEsat.
𝐼𝐶𝑠𝑎𝑡 =
𝑉𝑐𝑐 − 𝑉𝐶𝐸(𝑠𝑎𝑡)
𝑅𝐶
Es recomendable diseñar el circuito para una corriente mayor que IBsat(min) para garantizar
que el TBJ está trabajando en la región de saturación, caso contrario una corriente de base
insuficiente puede ocasionar que el TBJ trabaje en la región activa lo que implica
funcionamiento como amplificador ocasionando un excesivo calentamiento del elemento.
La relación entre IB e IBsat(min) se conoce como el factor de sobreexcitación ODF:
𝑂𝐷𝐹 =
𝐼𝐶𝑠𝑎𝑡
𝐼𝐵
Y la relación entre IC(sat) e IB se conoce como la ganancia forzada:
𝛽𝑓 =
𝐼𝐶𝑠𝑎𝑡
𝐼𝐵
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CONSIDERACIONES DE DISEÑO PARA EL CIRCUITO DE ACTIVACIÓN DEL TBJ
Como se puede observar el diseño del circuito de control para transistores de potencia tiene
un cierto grado de complejidad por las siguientes razones:
Ganancia de corriente baja: los transistores de potencia al ser un elemento controlado por
corriente y con una baja ganancia (en saturación la ganancia disminuye) por lo que se
requiere una corriente considerable aplicada a la base en ocasiones en las decenas de los
amperios por lo que un circuito lógico es incapaz de manejar un transistor directamente lo
que hace necesaria una etapa intermedia de acoplamiento en base a un transistor de
mediana potencia que será quien suministre la cantidad de corriente requerida en la base
del transistor de potencia, como consecuencia la capacidad de corriente requerida desde
el circuito de control se vuelve considerable.
Una posible solución para evitar la necesidad de una considerable corriente en el circuito
de control es usar la configuración Darlington donde el transistor de mediana potencia Q2
se coloca de la manera indicada en la Figura 2, en esta configuración la corriente de base
del transistor de potencia se toma de la fuente de potencia lo que disminuye los
requerimientos de corriente del control, pero se debe tener en cuenta que la presencia del
transistor de mediana potencia entre el colector y la base del transistor de potencia Q1
provocan que la juntura JCB este polarizada inversamente, por ello en esta configuración
el TBJ trabaja en cuasi-saturación incrementando la disipación de potencia.
Figura 2: Circuito de Conmutación de Potencia
Corriente negativa de apagado: A veces es necesario aplicar una corriente negativa
temporal durante el apagado para reducir el tiempo de apagado evitando así una mayor
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disipación de potencia durante la conmutación. Para esto se debe diseñar un circuito
especial que durante un intervalo de tiempo corto, en el orden de toff polarice inversamente
con unos pocos voltios la juntura base - emisor. Algunos de estos circuitos son descritos en
[1].
Figura 3: Corriente de Base Recomendada [1]
Figura 2: Circuito con base no aislada [1]
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Figura 2: Circuito sin polaridad negativa [1]
Figura 4: Diodes de antisaturación [1]
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4. TRABAJO PREPARATORIO
4.1. Diseñar un control PWM en base a un LM555 [2]. Con un potenciómetro la
frecuencia debe variar entre 1kHz < f < 20kHz, de igual forma con otro
potenciómetro la relación de trabajo debe variar entre 0,2 < δ < 0,8.
4.2. Diseñar el circuito de la Figura 2 si la fuente a usarse es de aproximadamente
40 V y la resistencia de carga es un foco de 100W.
4.3. Diseñar un circuito adicional en la base del TBJ para disminuir los tiempos de
conmutación en el apagado.
4.4. Traer armado los circuitos diseñados.
5. EQUIPO Y MATERIALES
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Fuente de poder DC.
Osciloscopio.
Capacitor de 1000 µF.
Foco de 100 W. 120 V.
Inductor.
Puente de diodos.
Autotransformador.
Puntas de prueba.
Pinza Amperimétrica.
Cables.
6. PROCEDIMIENTO
6.1. El instructor explicará las curvas características de un transistor que se desean
comprobar.
6.2. Para el circuito diseñado en el literal 2 del trabajo preparatorio, pero con carga
resistiva, observar formas de onda y comprobar que el elemento está trabajando
en las regiónes de corte y saturación.
6.3. Con el módulo matemático del osciloscopio, multiplicar las ondas de voltaje y
corriente para observar la curva de potencia disipada en el dispositivo.
6.4. Modificar la frecuencia y la relación de trabajo y rescate algunas observaciones
sobre el desempeño del TBJ.
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6.5. Tomar medida de los tiempos de conmutación para una frecuencia y relación
de trabajo solicitado por el instructor. Utilice el canal 1 del osciloscopio
únicamente para observar el voltaje en la base; y el canal 2 para observar las
formas de onda de corriente a través del TBJ, y luego el voltaje VCE. Con ayuda
de la Figura 5 mida los tiempos de conmutación y los valores de voltaje y
corriente necesarios para el cálculo de las pérdidas.
Figura 5: Respuesta dinámica para una carga resistiva [1]
6.6. Tomar medida nuevamente de los tiempos luego de añadir el circuito que
modifica la corriente de base que ayuda a la conmutación del TBJ. Rescate
algunas observaciones.
6.7. Repetir lo anterior para una carga inductiva de la Figura 2. Para medir los
tiempos de conmutación, utilice como referencia la Figura 6.
7. INFORME
7.1. Calcular la potencia de disipación del TBJ para carga inductiva, considerando los dos
casos de corriente de base. Compare los resultados entre las pérdidas medidas en el
laboratorio, y las calculadas.
7.2. Conclusiones.
7.3. Referencias.
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Figura 6: Respuesta dinámica para una carga inductiva [1]
8. REFERENCIAS
[1] P. Marcelo Godoy Simoes, Power Electronics Handbook, Power Bipolar Transistors,
2011.
[2] C. J. Savant and G. L. Carpenter, Diseño electrónico circuitos y sistemas.
Responsable: Carlos Imbaquingo
Revisado por: Ing. Marcelo Pozo, PhD