Dissipação de potência no transistor
Autor: ELETRÔNICA DO PAPAI NOEL | Publicado: 2016-01-29T23:47:00-02:00


Missão do
Sistema SENAI



&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
Contribuir para o fortalecimento da indústria e o desenvolvimento

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; pleno e
sustentável do País, promovendo a educação para o trabalho&nbsp; e&nbsp; a 

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;
cidadania, a assistência técnica e tecnológica, a produção e
disseminação
&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; de informação e a adequação, geração e
difusão de tecnologia.




Todo componente sujeito a
uma diferença de potencial V e
percorrido por uma corrente I &nbsp;consome uma potência



P=VI &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp; &nbsp;(1)



Pode-se citar, por exemplo,
o caso de uma lâmpada que ao estar submetida a uma diferença de potencial entre
seus terminais é percorrida por uma corrente, dissipando energia em forma de
luz e calor.





O transistor consome
potência devido à circulação de corrente elétrica através das junções,
provocada pela aplicação de tensões entre os seus terminais. Essa potência
dissipada na forma de calor, resulta em um aquecimento do componente.



POTÊNCIA FORNECIDA AO TRANSISTOR




O transistor é um componente de três terminais,
conforme ilustrado na Fig.1.
Admitindo os sentidos de corrente e os potenciais nos terminais aí indicados, a
potência fornecida ao transistor pelas fontes externas pode ser calculada da
relação



Ptotal = VcIc + VbIb + VeIe &nbsp; &nbsp;(2)



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  o:title=""/>
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  DrawAspect="Content" ObjectID="_1513620156">
 
<![endif]-->


com os parâmetros IC, IB e IE, representando as correntes fluindo do
circuito para os terminais do transistor e VC, VB e VE, correspondendo aos&nbsp;potenciais nos terminais C, B
e E, respectivamente.





Sem alteração da Eq.(2) pode-se escrever&nbsp;



Ptotal = VcIc+(VeIc-VeIc)+VbIb+(VeIb-VeIb)+VeIe



ou seja, os termos entre parêntesis são todos nulos
e não alteram a Eq.(2). 

&nbsp;Reagrupando os termos da
expressão anterior, tem-se que



Ptotal=(Vc-Ve)Ic+(Vb-Ve)Ib+Ve(Ic+Ib+Ie)



Com base na Fig.1
as quedas de tensão entre os terminais C
e E e entre os terminais B e E
podem ser obtidas das relações

















DISSIPAÇÃO MÁXIMA NO TRANSISTOR



Nas Eqs.(8) a (10) deve-se
utilizar a convenção de sinais e as definições para as correntes e tensões nos
terminais do transistor. Dessa forma, para um transistor npn operando na região ativa os parâmetros IC, IB,
VCE e VBE são todos positivos, sendo todos negativos para o
caso de um transistor pnp. Assim, as
potências obtidas das Eqs.(8) a (10) são sempre números positivos.



Como discutido em fascículos
anteriores, considerando o transistor operando na região ativa, conforme
ilustrado na Fig.2, tem-se que IB &lt;&lt; IC.
Além disso, como na região ativa a junção base-emissor é polarizada diretamente



VBE » 0,2 a 0,3 V (germânio)



VBE » 0,6 a 0,7 V&nbsp;&nbsp;
(silício)&nbsp;&nbsp; 





e esses valores típicos são sempre bem inferiores à
tensão coletor-emissor em condições normais de operação do transistor.














Com essas considerações, conclui-se a partir das Eqs.(9) e (10) que
as&nbsp; potências PC e PB
satisfazem à condição



Pc=VceIc&gt;&gt;VbeIe=Pb






ou seja, a potência de coletor é muito superior à
potência de base do transistor. Isso permite desprezar o segundo termo do
segundo membro da Eq.(8), i.e.,







A potência fornecida ao
transistor é dissipada em forma de calor produzindo uma elevação de temperatura
da estrutura semicondutora do &nbsp;componente.&nbsp;




Os valores máximos de
temperatura de operação dos cristais de germânio e silício estão mostrados na Tabela 1. Acima dos limites de
temperatura aí estabelecidos, as propriedades materiais dos cristais de Si e Ge
sofrem alterações significativas desviando-os de suas características normais
de operação.



Tabela 1 Temperaturas
máximas de operação para os cristais de Si e Ge



 

  
Cristal

  
Temperatura máxima 

 

  
silício

  
120 °C

 

  
germânio

  
90°C

 




Para evitar que as
características elétricas do transistor sejam influenciadas pelo aquecimento
excessivo do cristal semicondutor, a potência dissipada no transistor é limitada
a um valor que permite o funcionamento normal do componente. Esse valor de
potência é denominado de potência de
dissipação máxima e representado pelo parâmetro PC,máx., sendo fornecido pelo fabricante nos folhetos de
especificações do componente.





FATORES QUE INFLUENCIAM NA DISSIPAÇÃO MÁXIMA



A potência de dissipação
máxima de um transistor é influenciada pela resistência térmica do
encapsulamento e pela temperatura externa, conforme discutido a seguir.



Resistência térmica do encapsulamento



A resistência térmica é um
parâmetro que determina a oposição apresentada por um material ao fluxo de
calor. Dessa forma bons condutores térmicos são aqueles materiais que exibem
uma baixa resistência térmica e nos quais o calor pode ser transmitido mais
rapidamente.





No caso do transistor, a
resistência térmica do encapsulamento determina a rapidez com que o calor
gerado internamente é escoado para o meio ambiente, conforme ilustrado na Fig.3









Os transistores fabricados com capacidade de dissipação elevada,
denominados de transistores de potência, são normalmente encapsulados em
invólucros metálicos, como ilustrado na Fig.4.
Esse&nbsp; tipo de componente é afixado em uma
superfície metálica que aumenta a eficiência da dissipação de calor para o meio
ambiente.







Os transistores de baixa dissipação, geralmente denominados de
transistores de sinal, são encapsulados em invólucros plásticos, na forma
ilustrada na Fig.5.











Temperatura externa



O fluxo de calor através de
um material também depende da diferença de temperatura entre as paredes do
material, conforme ilustrado na Fig.6.







Para que haja transmissão de
calor, as duas superfícies devem exibir temperaturas distintas e nessas
condições o calor flui da parede de temperatura mais alta para aquela de
temperatura mais baixa.&nbsp;

Quanto maior for a diferença
de temperatura entre paredes, tanto maior será o fluxo de calor. Isso explica
por exemplo, por que uma xícara de café esfria mais rapidamente no inverno do
que no verão. 



Esse conceito aplicado ao
transistor pode ser posto de acordo com a seguinte afirmativa:





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 id="_x0000_t75" coordsize="21600,21600" o:spt="75" o:preferrelative="t"
 path="m@4@5l@4@11@9@11@9@5xe" filled="f" stroked="f">
 
 
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
 
 
 
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 height:25.5pt' o:ole="" fillcolor="window">
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  o:title=""/>
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  DrawAspect="Content" ObjectID="_1515611983">
 
<![endif]-->O fluxo de calor entre o transistor e o meio ambiente depende da diferença
entre a temperatura interna do transistor e a temperatura do ambiente externo.



Dessa forma, quanto mais baixa for a temperatura do
ambiente externo, tanto mais rapidamente se dará o escoamento do calor gerado
no componente, diminuindo assim o seu aquecimento.



Assim, dois transistores
trabalhando com tensões e correntes idênticas poderão aquecer diferentemente se
estiverem operando em ambientes de temperaturas distintas.





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 coordsize="21600,21600" o:spt="75" o:preferrelative="t" path="m@4@5l@4@11@9@11@9@5xe"
 filled="f" stroked="f">
 
 
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
 
 
 
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 height:25.5pt' o:ole="" fillcolor="window">
 <v:imagedata src="file:///C:\Users\NOTE-T~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image001.wmz"
  o:title=""/>
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 <o:OLEObject Type="Embed" ProgID="MS_ClipArt_Gallery" ShapeID="_x0000_i1025"
  DrawAspect="Content" ObjectID="_1515612031">
 
<![endif]-->&nbsp;Devido à influência da
temperatura na transmissão de calor, a especificação de potência máxima de
dissipação é feita para uma dada temperatura.





Por exemplo, o folheto de
especificações técnicas do transistor BC547
fornece um valor para a potência máxima de dissipação de 500 mW a uma
temperatura de no máximo 25 °C.&nbsp; Esse valor de temperatura é geralmente
adotado como padrão nos folhetos de especificações de transistores e outros
componentes.

VARIAÇÃO DA POTÊNCIA DE DISSIPAÇÃO MÁXIMA COM A TEMPERATURA



Em muitas ocasiões faz-se
necessário utilizar transistores em circuitos que irão funcionar a temperaturas
superiores ao valor padrão de 25ºC. Nessas situações é necessário considerar
que o valor de potência de dissipação máxima especificado a 25 °C não pode ser empregado.



Para que o transistor possa ser utilizado a uma temperatura ambiente
superior ao valor padrão de 25 °C, os fabricantes fornecem,
no folheto de especificações do componente, um gráfico da potência de
dissipação máxima como função da temperatura ambiente. O gráfico mostrado na Fig.7, por exemplo, é representativo das condições de operação dos transistores BC546,
547 e 548. O emprego do gráfico na determinação da potência de dissipação
máxima é ilustrado no exemplo a seguir.







Exemplo 1: Determinar a potência de
dissipação máxima para o transistor BC548 para operação a uma temperatura
ambiente de 50 °C. 





No gráfico da Fig.8, seleciona-se no eixo horizontal
o valor de 50°C para a temperatura ambiente.
A interseção com a curva, da linha vertical traçada a partir desse valor de
temperatura, define o valor de 400 mW para a potência de dissipação máxima.









Correntes de fuga no transistor



Os transistores são
fabricados com materiais semicondutores do tipo p e do tipo n. Esses
materiais sofrem um processo de purificação e dopagem que permite obter a
predominância de um tipo de portador.



Assim, qualquer cristal
semicondutor do tipo p apresenta uma
grande quantidade de lacunas e apenas uma pequena quantidade de elétrons
livres. Nesses materiais, as lacunas são denominadas de portadores majoritários e os elétrons de portadores minoritários, conforme ilustrado na Fig.9a. 



Semelhantemente, em um
semicondutor tipo n, existe uma
grande predominância de elétrons livres em comparação com as lacunas, conforme
mostrado na Fig.9b. Nesses
materiais, os elétrons livres são os portadores majoritários e as lacunas, os
minoritários.











MOVIMENTO DOS PORTADORES MINORITÁRIOS



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



O movimento de portadores
minoritários através de uma junção pn
só é importante quando esta fica submetida a uma polarização inversa. Como pode
ser observado na Fig.10, o potencial
inversamente aplicado favorece a injeção dos portadores minoritários através da
junção, dando origem a uma pequena corrente de fuga.









Nos transistores o movimento
dos portadores minoritários é importante apenas na junção base-coletor visto
que essa junção permanece inversamente polarizada nas condições normais de
operação do componente.





CORRENTE DE COLETOR COM EMISSOR EM ABERTO



A injeção dos portadores
minoritários através da junção base-coletor, inversamente &nbsp;polarizada, dá origem a uma pequena corrente
de fuga entre base e coletor. 



Com o emissor em aberto, na
configuração mostrada na Fig.11,
essa corrente de fuga assume um valor próximo daquele obtido para um diodo
inversamente polarizado. Para o &nbsp;transistor, essa corrente é denominada de corrente de coletor com emissor em aberto, sendo representada pelo
parâmetro ICBO.











CORRENTE DE COLETOR COM BASE EM ABERTO



Um segundo parâmetro de importância na avaliação dos efeitos das
correntes de fuga em um transistor é a corrente
de coletor com base em aberto, representada pelo parâmetro ICEO.

Como mostrado na Fig.12, com a base em aberto tem-se IB = 0 e da Eq.(7) resulta













CORREÇÃO DA RELAÇÃO ENTRE AS CORRENTES NO TRANSISTOR



Como discutido em fascículos anteriores, o ganho de corrente do
transistor em operação na região ativa permite obter a corrente de coletor
diretamente da corrente de base, a partir da expressão



No entanto a Eq.(16) prevê que a corrente de coletor
se anula se a corrente de base também for nula.&nbsp;
Conforme já discutido na seção anterior isso não ocorre pois com IB = 0, flui uma pequena
corrente ICEO entre coletor e emissor. 



Isso implica que a Eq.(16) foi obtida de forma aproximada
sob a hipótese de o transistor operar na região ativa. No entanto, deve-se
introduzir uma modificação na Eq.(16)
de forma a se poder prever o comportamento do transistor quando a corrente de
base tende a diminuir até um valor nulo. Essa modificação corresponde a uma
simples adição do termo ICEO
ao segundo membro da Eq.(16)
resultando em







Como mencionado anteriormente, a corrente ICBO é da ordem da corrente
de saturação inversa obtida para um diodo comum. Surge então uma importante
questão:




Qual a ordem
de grandeza da corrente de fuga no coletor de um transistor? Ou
alternativamente: Qual a relação entre a corrente de coletor com base em
aberto, ICEO, e aquela
obtida com emissor em aberto, ICBO? 




A resposta a essa questão
envolve uma análise mais detalhada que leva em conta todas as componentes de
corrente do transistor e que permite demonstrar que a relação procurada é da
forma









Como na região ativa, b » 100, a Eq.(18)
mostra uma diferença importante entre o valor da corrente de fuga no coletor de
um transistor relativamente àquela em um diodo comum. 



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 coordsize="21600,21600" o:spt="75" o:preferrelative="t" path="m@4@5l@4@11@9@11@9@5xe"
 filled="f" stroked="f">
 
 
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
  
 
 
 
<v:shape id="_x0000_i1025" type="#_x0000_t75" style='width:28.5pt;
 height:25.5pt' o:ole="" fillcolor="window">
 <v:imagedata src="file:///C:\Users\NOTE-T~1\AppData\Local\Temp\msohtmlclip1\01\clip_image001.wmz"
  o:title=""/>
<![endif]--><!--[if !vml]--><!--[endif]--><!--[if gte mso 9]>
 <o:OLEObject Type="Embed" ProgID="MS_ClipArt_Gallery" ShapeID="_x0000_i1025"
  DrawAspect="Content" ObjectID="_1515614297">
 
<![endif]-->&nbsp;A corrente de fuga no
coletor de um transistor é aproximadamente (b+1) vezes superior àquela
observada em um diodo polarizado inversamente. 



&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; Na aproximação b &gt;&gt; 1, a Eq.(18) pode
ser aproximada para















INFLUÊNCIA DA TEMPERATURA NA CORRENTE DE COLETOR



O aquecimento de um cristal semicondutor promove o rompimento de
ligações covalentes, gerando portadores minoritários no cristal. No caso do
transistor, o acréscimo de portadores minoritários com a temperatura aumenta a
corrente de fuga no coletor.



A Fig.13 apresenta um gráfico típico da dependência com a temperatura
da corrente ICBO para
transistores de germânio e silício, em escala logarítmica.

Como se pode observar na Fig.13,
a corrente ICBO dobra a
cada 10 ºC aproximadamente nos transistores de germânio e silício. &nbsp;Embora
essa variação seja aproximadamente a mesma em&nbsp;ambos os tipos de materiais, o parâmetro ICBO é cerca
de 500 vezes menor no transistor de silício relativamente ao de germânio.&nbsp; Daí a grande predominância de uso do silício
na fabricação de transistores e outros dispositivos semicondutores.









DISPARO TÉRMICO



O disparo térmico, também denominado de avalanche térmica, é um fenômeno que ocorre no transistor devido à
corrente de fuga e que pode levá-lo à destruição por superaquecimento. Como
ilustrado na Fig.14, a seqüência de
eventos que culminam com este fenômeno é a seguinte:



A medida que o transistor
funciona em um circuito eletrônico ocorre um aquecimento das junções como
resultado da dissipação da potência elétrica