Dissipação de Potência e Correntes de Fuga no Transistor: Limites e Aquecimento, Notas de estudo de Eletrônica

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Eletrônica Eletrônica básica - básica

Dissipação de potência e

correntes de fuga no

transistor

Dissipação de potência e correntes de fuga no transistor

© SENAI-SP, 2003

Trabalho editorado pela Gerência de Educação da Diretoria Técnica do SENAI-SP, a partir dos conteúdos extraídos da apostila homônima Dissipação de potência e correntes de fuga no transistor - Teoria. SENAI -DN, RJ, 1986.

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Introdução

Pode-se dizer que o transistor determinou o final do “reinado” das válvulas eletrônicas, porque permite uma operação com baixas tensões, montagens compactas, além de tornar desnecessária a substituição por envelhecimento que nas válvulas era inevitável.

Contudo, o transistor também tem as suas limitações. Um dos fatores mais importantes com respeito ao transistor corresponde à limitação de aquecimento.

Esta unidade discorre a respeito do aquecimento do transistor e das suas correntes de fuga, visando permitir que você utilize o componente sempre de forma correta, exigindo apenas aquilo que ele pode fornecer.

Pré-requisitos

Para ter sucesso no desenvolvimento dos conteúdos e atividades desta unidade você já deverá ter conhecimentos relativos a:

• Dissipação de potência;
• Correntes no transistor;
• Estrutura cristalina de semicondutores.

Dissipação de potência no

transistor

Todo o componente sujeito a uma diferença de potencial e percorrido por uma corrente elétrica dissipa uma determinada potência (P = V. I).

Pode-se citar, por exemplo, uma lâmpada que ao receber tensão sobre seus terminais é percorrido por uma corrente, dissipando energia em forma de luz e calor.

No transistor também existe uma dissipação de potência. A circulação de corrente elétrica através das junções do transistor, provocada pela aplicação de tensões aos seus terminais, dá origem a uma dissipação de potência no interior do componente.

Esta dissipação se dá em forma de energia térmica, ou seja, produção de calor, resultando em um aquecimento do transistor.

A dissipação nas junções

A dissipação de potência, em forma de calor, ocorre nas duas junções do transistor. Estas potências dissipadas são denominadas de Potência de coletor (PC ) e Potência de base (PB ).

A potência total dissipada no transistor é, portanto: Potência total = PC + PB

Entretanto, analisando as tensões e correntes presentes nas duas junções verifica-se que a tensão e corrente presentes na junção base emissor (V (^) BE e I (^) B ) são muito pequenas, comparadas com a tensão e corrente presentes na junção coletor base (V (^) CB e I (^) C ).

Por esta razão, a potência dissipada na junção base-emissor é muito pequena comparada com a potência dissipada na junção base-coletor.

Potência Total = PC + PB muito pequena comparada com PC

Assim, a potência dissipada na base do transistor é desprezada e se considera que a potência total dissipada no transistor é a própria potência dissipada no coletor:

Ptotal = PC

A potência de coletor depende da tensão de coletor à base (V (^) CB ) e da corrente de coletor (I (^) C): PC = VCB. I (^) C

Por questões de facilidade prática e objetivando a resolução de circuitos transistorizados através de curvas características, esta equação é substituída por outra aproximada, cujo erro é desprezível.

PC = VCE. I C ⇐

Potência total dissipada no transistor

Em termos de transistor, a resistência térmica do encapsulamento, representada pela notação Rthj-a, diz respeito a oposição imposta pelo encapsulamento a transmissão do calor gerado internamente para o meio ambiente.

Os transistores fabricados para capacidades de dissipação mais elevada (denominados de transistores de potência) são normalmente encapsulados em invólucros metálicos.

Os encapsulamentos metálicos se caracterizam por apresentar uma baixa resistência térmica, transmitindo com mais eficiência o calor para o meio ambiente.

Os transistores de baixa dissipação (denominados transistores de sinal) encapsulados em invólucros plásticos.

Os encapsulamentos plásticos são utilizados nestes transistores porque a quantidade de calor gerada na estrutura é pequena.

Temperatura externa ao transistor Além da resistência térmica, a transmissão de calor entre dois pontos depende também da diferença de temperatura entre estes pontos.

Para que haja transmissão um ponto deve estar a temperatura mais alta que o outro.

A quantidade de calor transmitida é maior quando a diferença de temperatura é grande entre os dois pontos, e menor quando a diferença é pequena. Isto explica por exemplo porque uma xícara de café esfria mais rapidamente no inverno que no verão.

A partir desta dependência entre a quantidade de calor transmitido e a diferença de temperatura se conclui que: A quantidade de calor transmitida da junção do transistor para o ambiente depende da diferença de temperatura entre a junção e o ambiente.

Quanto mais baixa a temperatura do ambiente, melhor a transmissão de calor do interior do transistor para fora, menor o seu aquecimento.

Assim, dois transistores trabalhando com as mesmas tensões e correntes (mesma potência dissipada PC) irão sofrer aquecimentos diferentes se estiverem funcionando em temperaturas diferentes.

Os fabricantes fornecem um gráfico de dissipação total de potência em função da temperatura ambiente (Ptot = T (^) amb) que indica a potência máxima no transistor para os diversos valores de temperatura ambiente.

A figura abaixo ilustra o emprego do gráfico, determinando a potência de dissipação máxima dos transistores BC546, BC547, BC548 para uma temperatura ambiente de 50ºC.

O material do tipo N apresenta uma grande quantidade de elétrons livres, que são os portadores majoritários e um pequeno número de lacunas que são os seus portadores minoritários.

A existência dos portadores minoritários nos materiais semicondutores se deve fundamentalmente a dois fatores:

• Imperfeição nos processos de purificação dos cristais que sempre apresentam um pequeno grau de impurezas.
• A ruptura das ligações químicas pela energia térmica (aquecimento).

Movimento dos portadores minoritários

Os portadores minoritários sofrem a influência das tensões externas aplicadas ao componente semicondutor, movimentando-se no interior da estrutura cristalina.

Como no caso dos diodos, o movimento dos portadores minoritários só é importante quando a junção entre os cristais está inversamente polarizada.

No caso dos diodos, durante a polarização inversa, o movimento dos portadores minoritários dá origem a uma pequena corrente de fuga.

Nos transistores o movimento dos portadores minoritários é importante apenas na junção base-coletor porque esta junção está normalmente com polarização inversa.

O movimento dos portadores minoritários na junção base-coletor, inversamente polarizada, dá origem a uma pequena corrente de fuga entre base e coletor.

Entretanto na prática isto não ocorre. Aplicação de tensão e coletor e emissor do transistor (VCE), mesmo sem corrente de base (I (^) B = 0) provoca a circulação de uma pequena corrente de coletor denominada de corrente de fuga entre coletor e emissor com a base aberta, representada pela notação ICEO.

Esta corrente de saturação reversa (ICEO) é provocada pela corrente de fuga ICBO.

Ao circular através da junção base-coletor a corrente ICBO provoca uma recombinação de portadores na base que tem um efeito resultante semelhante a aplicação de corrente de base no transistor, gerando a corrente ICEO.

ICEO é, portanto, uma corrente aproximadamente β (BETA) vezes maior que ICBO.

ICEO ≅ ICBO. βDC

Este fator tem determinado uma crescente utilização dos transistores de silício em substituição aos transistores de germânio.

Disparo térmico O disparo térmico, também denominado de avalanche térmica , é um fenômeno que ocorre no transistor devido a corrente de fuga I (^) CBO e que pode levá-los a destruição por aquecimento excessivo.

A medida em que o transistor funciona em um circuito eletrônico ocorre um aquecimento das junções, pela dissipação de potência (P (^) C = VCE. I (^) C ).

O aquecimento da junção provoca um aumento na corrente de fuga I (^) CBO.

Como a corrente de coletor é composta de duas parcelas I (^) C = βI (^) B + βI (^) CBO o aumento de I (^) CBO resulta em I (^) C maior.

Com I (^) C maior a potência dissipada aumenta (V (^) CE. I (^) C↑ = PC↑) e o transistor sofre novo aquecimento. A maior temperatura da junção provoca novo aumento em I (^) CBO.

A equação mostra que a corrente de fuga ICBO é amplificada pelo transistor da mesma forma como corrente de base.

Nos circuitos a transistor a corrente ICEO (provocada pela corrente de fuga ICBO) e a corrente I (^) C (provocada pela corrente de base I (^) B ), circulam ao mesmo tempo no terminal “coletor” do transistor.

Conclui-se, então, que a corrente real de coletor de um transistor é sempre a soma destas duas correntes.

I (^) C = (βDC. I (^) B) + (βDC. I (^) CBO)

Observação A corrente de fuga entre coletor e emissor com a base aberta ICEO é, em valor exato, igual a ICBO (β + 1). Porém devido ao fato do βDC dos transistores ser normalmente elevado (maior que 100) pode-se na prática desprezar o acréscimo da unidade considerando ICEO = ICBO X βDC.

Influência da temperatura na corrente de coletor O aquecimento é um dos fatores responsáveis pela geração de portadores minoritários nos materiais semicondutores, provocando o rompimento das ligações covalentes do cristal.